Caracterização e viabilidade do uso de hidrogéis compósitos poli (álcoolvinílico)/atapulgita em sistemas de liberação de fármaco

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS. GENELANE CRUZ SANTANA. CARACTERIZAÇÃO E VIABILIDADE DO USO DE HIDROGÉIS COMPÓSITOS POLI (ÁLCOOLVINÍLICO)/ATAPULGITA EM SISTEMAS DE LIBERAÇÃO DE FÁRMACO. SÃO CRISTÓVÃO SERGIPE-BRASIL 2012 0.

(2) GENELANE CRUZ SANTANA. CARACTERIZAÇÃO E VIABILIDADE DO USO DE HIDROGÉIS COMPÓSITOS POLI (ÁLCOOLVINÍLICO)/ATAPULGITA EM SISTEMAS DE LIBERAÇÃO DE FÁRMACO. ORIENTADOR: LEDJANE SILVA BARRETO CO-ORIENTADOR: GLÓRIA DE ALMEIDA SOARES. SÃO CRISTÓVÃO, SE-BRASIL Fevereiro, 2012. i.

(3) FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE. S232c. Santana, Genelane Cruz Caracterização e viabilidade do uso de hidrogéis compósitos poli (álcool vinílico)/ Atapulgita em sistemas de liberação de fármaco / Genelane Cruz Santana. – São Cristóvão, 2012. 80f. : il.. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Núcleo de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Sergipe, 2012. Orientador: Profª. Drª. Ledjane Silva Barreto. 1. Engenharia de materiais. 2. Compósitos. 3. Atapulgita. 4. Farmacologia. I. Título. CDU 66.017:615.

(4) Aos meus pais, Maria Lúcia Cruz Sant’Ana e Genevaldo Fagundes Sant’Ana, pelos ensinamentos e por sempre me mostrar o significado de uma família.. ii.

(5) “As pessoas às vezes são como as ostras. Tudo o que temos de fazer é esperar, até que elas entreguem a pérola que trazem no seu interior”.. (A. G. Roemmers, “O Retorno do Jovem Príncipe”). iii.

(6) AGRADECIMENTOS. A Deus por todos os momentos da minha vida e por estar comigo mais uma vez no final de mais uma etapa;. - A minha família pelo apoio incondicional. Mainha, Painho, Gene, Geninho, Jane, Ane, Aninha. Amos todos vocês! A mais nova integrante da família Sophia (sobrinha) por tornar nossas vidas mais felizes.. - A professora e minha orientadora Drª Ledjane Silva Barreto pela oportunidade dada como aluna de iniciação científica e, hoje, como aluna de mestrado, pelo aprendizado adquirido durante todo esse tempo.. - A minha co-orientadora professora Drª Glória de Almeida Soares (UFRJ) pela confiança e acolhimento caloroso em seu laboratório. - Aos professores do P2CEM pelos ensinamentos, em especial, ao professor Dr Marcelo Ueki pelos livros. E ao professor Dr Euler Araújo pela paciência, ajuda e compreensão.. -A professora Drª Rossana Thiré (UFRJ) pelo empréstimo do homogeneizador Turrax, acolhida, preocupação e contribuição dada ao trabalho.. - Ao professor Dr Luís Carlos Pereira (UFRJ) pelos ensinamentos, acolhida e conselhos.. - Aos amigos do laboratório: Resende, David, Michela Gisela, Ana Patrícia, Carlos Henrique, Eduardo, Yane, Elisiane, Rodrigo pela amizade e apoio.. - À Gabriela, Thalita, Angélica e Cíntya pelos momentos de descontração, conversas, amizade, conselhos dentro e fora laboratório.. - Às Pós-doutorandas, em especial, a Valdeci e Cristiane Xavier iv.

(7) - Aos amigos conquistados durante o curso Charlene, Ivory, Elísio, Micheline, Joice, Osmir.. - Aos alunos do curso de materiais Carlos Eduardo, Silvando, Thiago e Marcelo pelo apoio e amizade. - À Cristiane e Silvânio, Ricardo, Érick pela amizade e ajuda. - Aos amigos distantes Renatinha, Ingrid, Mariana, Paula-Gil, Márcia, Fellipe, Gabriela, Ana Paula, Raquel, Martinha muito obrigada pela acolhida e ajuda na minha passagem pela UFRJ. - Às técnicas Shirley e Adriana. As secretárias do P2CEM: Karine, Thaís e Geocelly pelo suporte. - Ao P2CEM e a COOPE pela estrutura oferecida para o desenvolvimento do trabalho. - À CAPES pela bolsa concedida e pelo suporte financeiro. v.

(8) Resumo da dissertação apresentado ao P2CEM/UFS como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais (M.Sc.).. CARACTERIZAÇÃO E VIABILIDADE DO USO DE HIDROGÉIS COMPÓSITOS POLI (ÁLCOOLVINÍLICO)/ATAPULGITA EM SISTEMAS DE LIBERAÇÃO DE FÁRMACO Genelane Cruz Santana. Fevereiro/2012 Orientador: Ledjane Silva Barreto Co-orientadora : Glória de Almeida Soares Programa de Pós Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. Foram desenvolvidos hidrogéis compósito na forma de filme a base de poli (álcool vinílico) (PVA) usando a atapulgita acidificada como agente de reticulação. Os hidrogéis compósitos foram obtidos em solução variando a quantidade de atapulgita (0,05-2%) na matriz polimérica visando estudar sua influência na cristalinidade, nas propriedades de intumescimento e na liberação do sulfato de gentamicina. Os materiais preparados foram caracterizados por DRX, FTIR, DSC. Segundo os dados do DRX a cristalinidade do polímero não é afetada pela adição da argila, em contrapartida, a presença da atapulgita altera as temperaturas de fusão e cristalização, comportamento verificado pelo DSC. De maneira geral, o perfil gráfico do FTIR evidenciou que há interações entre a atapulgita e o PVA. A cinética de hidratação a 37°C mostrou ser independente do valor de pH e demostrou obedecer ao mecanismo de difusão fickiana com valores de n<0,5. Desse modo, a viabilidade dos hidrogéis em sistema de liberação de fármacos foi avaliada pelo grau de intumescimento e liberação in vitro. Estes dois aspectos foram dependentes da concentração do fármaco. Assim, apesar de preliminares, os resultados de liberação do sulfato de gentamicina utilizando hidrogéis compósito PVA/ atapulgita mostraram-se promissores para uma futura aplicação.. Palavras-chave: hidrogél, atapulgita, hidrogéis compósitos, sistemas de liberação. vi.

(9) Abstract of Thesis presented to P²CEM/UFS as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Materials Science and Engineering (M.Sc.). CHARACTERIZATION AND VIABILITY OF POLY (VINYL ALCOHOL)/ ATTAPULGITE COMPOSITES HYDROGELS IN DRUG DELIVERY SYSTEM Genelane Cruz Santana. February/2012 Advisors: Ledjane Silva Barreto Co-advisor : Glória de Almeida Soares Department: Materials Science and Engineering Composites hydrogels were developed in film shape based on poly vinyl alcohol (PVA) using acidified attapulgite as crosslinking agent. The hydrogel composites were obtained in solution with amounts of attapulgite ranging from 0.05 to 2% in the polymer matrix in order to study its influence on the crystallinity, in the swelling properties and in the release of gentamicin sulphate. The obtained composites were characterized by XRD, FTIR and DSC. According to XRD data the polymer crystallinity is not affected by the clay addition, however, the presence of attapulgite modifies the melting and crystallization temperatures, behavior observed by DSC measures. In general, graphical profile of FTIR showed that there are interactions between PVA and attapulgite. The hydration kinetics at 37°C is independent of pH values and shown to obey the Fickian diffusion mechanism with values of n<0.5. Thus, the viability of hydrogels in drug delivery systems was evaluated by the swelling degree and by in vitro release. These two aspects were dependent on the concentration of the drug. Thus, although preliminaries, the results from release of gentamicin sulphate using PVA/attapulgite composites hydrogels proved be promising for future application.. Keywords: hydrogel, attapulgite, composites hydrogels, delivery systems.. vii.

(10) SUMÁRIO. Sumário........................................................................................................ vi. Lista de Figuras........................................................................................... viii. Lista de Tabelas........................................................................................... x. Lista de Símbolos........................................................................................ xi. CAPÍTULO 1 1. Introdução............................................................................................................. 02. 1.1 Hidrogéis compósitos em Sistemas de Liberação de Fármaco................... 08. 1.2 Atapulgita...................................................................................................... 13. CAPÍTULO 2 2. Objetivos 2.1. Objetivo Geral............................................................................................. 18. 2.2. Objetivos Específicos.................................................................................. 18. CAPÍTULO 3 3. Parte Experimental 3.1. Tratamento prévio da Atapulgita................................................................. 20. 3.1.1 Preparação dos Hidrogéis Compósitos PVA/Atapulgita.............................. 20. 3.1.2 Preparação e Caracterização dos Hidrogéis PVA/Atapulgita/SG................ 21. 3.2. Caracterização das Amostras....................................................................... 22. CAPÍTULO 4 4. Resultados e Discussões 4.1. Caracterização da Atapulgita........................................................................ 25. 4.2 Caracterização dos Hidrogéis Compósitos PVA/Atapulgita........................ 28. 4.2.1 Influência da Argila na Cristalinidade do Polímero..................................... 29. 4.2.2 Influência da Argila no Comportamento de Intumescimento do. 36 viii.

(11) Polímero.. 4.2.3 Estudo Cinético do Intumescimento dos Hidrogéis Compósitos................. 39. 4.3 Caracterização dos Hidrogéis contendo Sulfato de Gentamicina................. 41. 4.3.1 Perfil de Liberação do Sulfato de Gentamicina............................................ 44. CAPÍTULO 5 5. Conclusões 5.1. Conclusões.................................................................................................... 51. CAPÍTULO 6 6. Trabalho Futuros 6.1. Trabalhos Futuros........................................................................................ 53. CAPÍTULO 7 7. Referências Bibliográficas 7.1. Referências Bibliográficas........................................................................... 55. ix.

(12) LISTA DE FIGURAS. Figura 01 Perfis de Liberação Controlada................................................................ 09. Figura 02 Ilustração do Perfil de Liberação Controlada de Ordem Zero................ 10. Figura 03 Ilustração da Estrutura do Sulfato de Gentamicina.................................. 12. Figura 04 Ilustração da Estrutura da Atapulgita....................................................... 15. Figure 05 Fluxograma da Preparação dos Hidrogéis compósitos pva/atapulgita..... 20. Figure 06 Fotografia dos filmes preparados em diferentes quantidades de argila... 21. Figure 07. Difratogramas da (a) atapulgita in natura, (b) atapulgita sedimentada, (c) quartzo e (d) da atapulgita ácida...................................................... Figura 08 Espectros da (a) atapulgita in natura e (b) da atapulgita ácida............. Figura 09. Figura 10. Figura 11. Difratogramas de Raio X dos hidrogéis contendo diferentes porcentagem de atapulgita...................................................................... Temperatura de fusão dos hidrogéis contendo diferentes porcentagem de atapulgita (PVA0; PVA0,05; PVA0,5; PVA1 e PVA2).................... Temperatura de cristalização dos hidrogéis contendo diferentes porcentagem de atapulgita(PVA0; PVA0,05; PVA0,5; PVA1 e PVA2). Figura 12 Ilustração da Estrutura Química do PVA................................................. Figura 13. Espectros dos Hidrogéis contendo Diferentes Porcentagens de Atapulgita............................................................................................... 26. 27. 29. 30. 31. 32. 33. Figura 14 Medidas da viscosidade dos Hidrogéis Compósitos................................ 36. Figura 15 Grau de intumenscimento à 37°C dos hidrogéis PVA0 e dos hidrogéis. 37 x.

(13) compósitos ( 0,05-2%) com atapulgita. (a) pH_5 e (b) pH_7,4............. Difratogramas dos hidrogéis (PVA0 e PVA1) e dos hidrogéis Figura 16 contendo 5mg/ml do SG ( PVA0_5 e PVA1_5) e 40mg/ml (PVA0_40. 42. e PVA1_40.............................................................................................. Espectro dos hidrogéis compósitos (PVA0 e PVA1), do sulfato de Figura 17 gentamicina (SG) e dos hidrogéis contendo 5mg/ml do SG ( PVA0_5. 43. e PVA1_5) e 40mg/ml (PVA0_40 e PVA1_40)...................................... Figura 18. Curva. de. calibração. do. sal. sulfato. de. gentamicina. (SG)................................................................................................. 45. Bandas de absorção das concentrações utilizadas na construção da Figura 19 curva de calibração do sulfato de gentamicina em tampão fosfato. 45. salino 7,4................................................................................................. Espectro de absorbância dos filmes ausência ( PVA0 e PVA1) com Figura 20 pequena presença do sulfato de gentamicina (PVA0_5; PVA1_5;. 46. PVA0_40 e PVA1_40)............................................................................ Grau de Intumescimento dos hidrogéis compósitos PVA0; PVA1 e Figura 21 dos hidrogéis contendo diferentes concentrações de sulfato de. 47. gentamicina (a) PVA0_5 e PVA1_5 e (b) PVA0_40 e PVA1_40.......... Perfil de Liberação do Sulfato de Gentamicina a Partir dos Hidrogéis Figura 22 Contendo 5mg/ml (PVA0_5 PVA1_5) e 40mg/ml (PVA0_40,. 48. PVA1_40)................................................................................................. xi.

(14) LISTA DE TABELAS. Tabela 01 Composição Química da Atapulgita in natura e após ativação ácida... 25. Tabela 02. Tamanho de Cristalito dos Hidrogéis de PVA e dos Compósitos........ 30. Tabela 03. Temperaturas de Fusão e Cristalização dos Hidrogéis Compósitos..... 32. Tabela 04. Atribuições das bandas de vibração dos hidrogéis compósitos........ 34. Tabela 05. Medidas da mudança de vibração do grupo acetato nos hidrogéis compósitos.............. 35. Tabela 06. Valor de n em Função da Forma Geométrica do Hidrogel............. 39. Tabela 07. Valores de n para cada Hidrogel nos Diferentes pHs a 37°C.......... 40. Tabela 08. Tabela 09. Tamanho cristalito dos hidrogéis contendo sulfato de gentamicina................................................ Parâmetros Cinéticos do Comportamento de Intumescimento e Liberação do Sulfato de Gentamicina. 42. 48. xii.

(15) LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVEATURAS. θ. -. Ângulo de difração de raios-x.. Β. -. Largura do pico de difração de raios-x.. λ. -. Comprimento de onda do raio X. PVA0. -. Hidrogel de PVA puro. PVA0,05. -. Hidrogel compósito contendo 0,05% de atapulgita. PVA0,5. -. Hidrogel compósito contendo 0,5% de atapulgita. PVA1. -. Hidrogel compósito contendo 1% de atapulgita. PVA2. -. Hidrogel compósito contendo 2% de atapulgita. SG. -. Sulfato de gentamicina. d. -. Tamanho de cristalito.. -. Hidrogel PVA puro contendo 5mg/mL de sulfato de. PVA0_5. PVA1_5. PVA0_40. PVA1_40. gentamicina -. Hidrogel compósito PVA com 1% de atapulgita contendo 5mg/mL de sulfato de gentamicina. -. Hidrogel PVA puro contendo 40mg/mL de sulfato de gentamicina. -. Hidrogel compósito PVA com 1% de atapulgita contendo 40mg/mL de sulfato de gentamicina. GI. Grau de intumescimento. n. -. Expoente de difusão. K. -. Constante de difusão. -. xiii.

(16) INTRODUÇÃO.

(17) 1- INTRODUÇÃO. A busca por sistemas terapêuticos capazes de modificar de forma satisfatória a cinética e o local de liberação de um fármaco, em relação às formas farmacêuticas convencionais, é de grande interesse na área biomédica. Nos sistemas convencionais grande parte dos fármacos é liberada logo após a administração, causando elevação do nível do mesmo no organismo, caindo rapidamente após algum tempo. Desta forma, os sistemas de liberação controlada de fármacos primam pela segurança, eficácia e confiabilidade da terapia (VISERAS et al., 2007 e SINGH et al., 2010). Entre os sistemas de liberação de fármacos utilizados na indústria farmacêutica (lipossomas, bombas osmóticas, sistemas transdérmicos, pró-fármacos) destacam-se os sistemas poliméricos hidrofílicos. Estes, pela sua variedade, versatilidade e propriedades são a classe de materiais mais investigada no desenvolvimento de tais sistemas. O requisito fundamental para que os materiais poliméricos possam ser utilizados na preparação de um sistema de liberação de fármaco é que seus produtos de degradação não sejam tóxicos apresentando boa biocompatibilidade, pelo menos nos tecidos que irão ter contado direto (LOPES et al., 2005, DIAS et al., 2011, WOKOVICH et al., 2006). Por definição, hidrogéis são cadeias poliméricas tridimensionais hidrofílicas que podem absorver grande quantidade de água ou fluidos biológicos sem se dissolver, mantendo uma estrutura tridimensional distinta. A sua solubilidade em água depende do equilíbrio entre os grupos funcionais e conteúdo das unidades de repetição, bem como sua disposição em estruturas de homopolímero ou copolímero. Os principais responsáveis por este comportamento são os grupos –OH, -CONH,-, -CONH2, -SO3H e -COOH presentes em sua estrutura os quais classificam os polímeros em neutros ou iônicos (HAMIDI et al., 2008, HOFFMAN et al., 2002). Os hidrogéis são biomateriais projetados para uso no corpo humano, apresentando-se numa ampla variedade de formas físicas, as quais incluem micropartículas, nanopartículas e filmes. (HOFFMAN et al., 2002, KOHANE et al., 2008).. -2-.

(18) Em adição às propriedades citadas, as pesquisas atualmente estão sendo direcionadas para o desenvolvimento de hidrogéis que alteram suas propriedades e estruturas em resposta aos meios biológicos e fisiológicos, isto é, hidrogéis que possam exibir mudanças nas propriedades de intumescimento devido ao pH externo, temperatura, força iônica ou radiação eletromagnética (HAMIDI et al., 2008, SIVUDU et al., 2009). Esses hidrogéis, dependendo de sua origem podem ser classificados como: naturais (polissacarídeos, proteínas, polipepitídeos polinucleotídeos, e polisilicatos), semissintéticos (compreende os polímeros naturais modificados quimicamente) e sintéticos (polietileno glicol, PVA) (CHIELLINI et al., 2003). De acordo com o método de preparo, os hidrogéis podem ser quimicamente estáveis ou degradarem e dissolverem. Esta estabilidade depende da densidade de reticulação, ou seja, da quantidade de ligações formadas entre cadeias, a qual pode ser classificada em dois tipos:. Química: Envolve a formação de ligações de caráter irreversível. De acordo com a concentração de alguns reticulantes químicos, esses materiais podem produzir compostos tóxicos, sendo seu uso inviável na preparação de biomateriais. Um dos reticulantes químicos mais utilizados é o glutaraldeído (FUNDUEANU et al., 2010, KOWON et al., 2008).. Física: A integridade da rede polimérica é mantida pelo emaranhamento molecular e/ou forças de interações secundárias (ligações de hidrogênio, domínios cristalizado, dentre outros). Um dos métodos mais utilizados para reticular hidrogéis fisicamente é a criogelificação que consiste em submeter o gel a diversos ciclos de congelamento e descongelamento para formação de cristalitos. (PEPPAS et al., 2000, FUNDUEANU et al., 2010).. Dentre os numerosos polímeros capazes de formar hidrogéis, o poli (álcool vinílico) (PVA) recebe notável atenção, pois é um polímero sintético hidrofílico com excelentes propriedades em formar filmes. Apresenta uma estrutura química -3-.

(19) relativamente simples com grupos hidroxilas laterais. É produzido pela polimerização do acetato vinílico para poli (acetato vinílico) (PVAc), seguido pela hidrólise do PVAc para PVA. Esta reação não é completa, o que resulta em polímero com diferentes graus de hidrólise. O PVA comercial está disponível nas classes altamente hidrolisada (grau de hidrólise superior a 98,5%) e parcialmente hidrolisada (grau de hidrólise 80,0-98,5%) (OLIVEIRA 2010, MANSUR et al., 2008, YANG et al., 2011). Os hidrogéis de PVA possuem interessantes propriedades como, por exemplo, boa resistência química, processabilidade, biocompatibilidade, não toxicidade, facilidade de modificação química e biodegradabilidade, as quais desempenham um papel importante no design de produtos farmacêuticos e dispositivos biomédicos. Sua principal desvantagem esta relacionada às insuficientes propriedades mecânicas após intumescimento (KIM et al., 2008, ZHANG et al., 2010, STAMMEN et al., 2001). Atualmente, hidrogéis de PVA são sistemas utilizados efetivamente em liberação de fármacos. Sua estrutura porosa permite o armazenamento do fármaco na matriz de hidrogel, esta quando em contato com água ou fluidos biológicos incha e libera o fármaco para o meio. Esta liberação pode ser controlada por fatores físicoquímicos do organismo como pH, temperatura e força iônica (FU et al., 2010, HOFFMAN et al., 2002 e BIRGIT et al., 2010). No entanto, assim como em muitos outros sistemas de liberação controlada de fármaco, um efeito burst (liberação inicial explosiva) é observado. Este comportamento é economicamente inviável, pois o fármaco é liberado rapidamente durante a fase inicial, e desse modo não tem efeito terapêutico, reduzindo, assim, a longevidade do sistema. De acordo com pesquisas, esse efeito pode ser minimizado ajustando o grau de reticulação, o qual além de reduzir os poros minimizando a liberação rápida, permite a difusão livre de água através da rede polimérica sem dissolução, aumentando sua resistência mecânica (CHEN et al., 2009 e WANG et al., 2010, WU et al., 2008, KENAWY et al., 2010). Atualmente, a efetividade da reticulação em hidrogéis tem sido realizada por nanoargilas. Estas despertam grande interesse na investigação científica e aplicação industrial, uma vez inserida na matriz polimérica, o compósito resultante apresenta excelentes propriedades mecânicas, alta capacidade de absorção de água e biocompatibilidade. Este tipo de interação pode influenciar a dinâmica molecular do -4-.

(20) polímero, resultando em alterações significativas no seu comportamento térmico e/ou mecânico. (KUMAR et al., 2009, SALAHUDDIN et al., 2010, PAN et al., 2007). HARAGUHI (2007) preparou hidrogéis nanocompósitos de isopropilacrilamida contendo laponita sem qualquer reticulação química. As camadas esfoliadas da laponita agiram como reticuladores multifuncionais pelo ancoramento das nanoargilas nas cadeias poliméricas, o que favoreceu a melhora simultânea da transparência, do grau de intumescimento e das propriedades mecânicas. XIANG et al. (2006) prepararam hidrogel nanocompósito poli (2-hidroxietil metacrilato-co-poli (etileno glicol) éter metil metacrilato ácido metacrílico-co-)/ atapulgita, na qual as nanofíbras da atapulgita agiram como reticulante. Os resultados mostraram que o comportamento de intumescimento reduz com o aumento da quantidade de argila. Isto é parcialmente devido ao fato do aumento da densidade de reticulação dos hidrogéis com o aumento da quantidade de argila. Comportamento similar foi encontrado por PARANHOS et al. (2009) na preparação de hidrogéis nanocompósitos PVA/sepiolita, no qual as partículas da argila altamente dispersas na matriz polimérica reduziram o grau de intumescimento. LI et al. (2009) investigaram a influência da quantidade da argila laponita no comportamento de intumescimento de hidrogéis nanocompósitos com a matriz de poliacrilamida. Os resultados mostraram que para teores de argila inferior a 10% em peso, o intumescimento aumenta significativamente com o aumento da argila e variação do pH. De acordo com eles, dois fatores foram considerados: a hidrólise do polímero e os grupos aniônicos da superfície da argila. Comportamento similar ao intumescimento foi verificado por CHEN et al., 2009 na presença de diferentes argilas em isopropilacrilamida. Os resultados mostraram que a argila funcionou como excelente reticulador multifuncional na matriz. CAN et al. (2007) observaram que o comportamento de intumescimento dos hidrogéis nanocompósitos baseados em poliacrilamida, poli(N-N, dimetilacrilamida) e poli(N-isoproprilacrilamida) como polímeros hidrofíficos e a laponita como nanocarga apresentaram comportamento incomum em água. Ao intumescer, os hidrogéis atingiram rapidamente o máximo de intumescimento e após um dia, há uma redução para este comportamento, seguindo uma tendência ao equilíbrio. De acordo com HARAGUCHI. -5-.

(21) (2007), este fenômeno é explicado pelo rearranjo das cadeias poliméricas emaranhadas e das partículas de argila durante o curso de intumescimento. A interação entre argilas e matriz polimérica também pode favorecer a nucleação e o crescimento de cristais. Isso ocorre porque a superfície da argila estabiliza a fase cristalina do polímero, o que acarreta melhora das propriedades mecânicas e térmicas em relação ao polímero não carregado. Quanto maior a área superficial da carga inorgânica, maior a quantidade de sítios para nucleação de cristalitos (YANG et al., 2006, HOMMINGA et al.,2006). Em seu estudo SHENG et al. (2005) mostraram que a presença da atapulgita não afetou a estrutura cristalina do polímero polipropileno. No entanto, os resultados de DSC mostram que a adição de pequena quantidade de argila na matriz aumentou a temperatura de cristalização nanocompósito. E, de acordo com os resultados, a atapulgita atuou como agente de nucleação eficiente para a cristalização da matriz de polipropileno. A literatura mostra que a incorporação de determinadas argilas não afeta as propriedades de biocompatibilidade da matriz polimérica. KOKABI et al. (2007) estudaram o efeito da quantidade de argila modificada com sal quaternário de amônio nas propriedades intumescimento, físicas e mecânicas do hidrogel de PVA. para. aplicação em curativos. De acordo com os resultados, os hidrogéis nanocompósito mostraram excelentes propriedades físicas e, baseados em medições intumescimento, exibiram alta capacidade de absorção de líquidos atendendo a alguns dos requisitos essenciais de um curativo ideal, tais como: criar e manter o ambiente úmido, proteger a ferida de infecções secundárias, absorver fluidos e exsudatos da ferida, reduzir a superfície necrosada da ferida, prevenir o ressecamento da ferida, estimular fatores de crescimento, e também ser elástico, higiênico e biocompatível. ZHANG et al. (2006) prepararam um novo compósito superabsorvente poliacrilamida/atapulgita modificada com sal quaternário de amônio brometo de hexadeciltrimetilamônio. Os resultados mostraram que a alta absorção de água do compósito foi melhorada pela adição de pequena quantidade de atapulgita. Dessa forma, nanocompósitos polímero/argila são formados pela dispersão nanométrica de silicato da argila (usualmente menor que 5%) em polímeros. No entanto, para alcançar melhores propriedades, a formação desses materiais não é realizada pela -6-.

(22) mera incorporação das nanoargilas na matriz polimérica, mas deve-se garantir que a mesma esteja dispersa homogeneamente na matriz polimérica. No entanto, dispersar as camadas de argilas homogeneamente em matriz polimérica é, atualmente, um grande desafio na pesquisa e no desenvolvimento desses materiais, pois as partículas de argila possuem forte tendência a se aglomerar. Essa aglomeração reduz a interação entre a nanocarga e o polímero, este fato se reflete na perda de propriedades térmicas, mecânicas, optica e de intumescimento (HARAGUCHI et al., 2007, WANG et al., 2005, FU et al., 2010, SALAHUDDIN et al., 2010; WANG et al., 2011). A afinidade química reduzida entre as cargas inorgânicas (natureza hidrofílica) e o polímero (hidrfóbico) é um aspecto importante a considerar na preparação de nanocompósitos. Pesquisas mostram que a compatibilidade das cargas com a matriz polimérica pode ser melhorada através da modificação química superficial das partículas de argila. Dentre as modificações destacam-se: Organofilização: é uma reação troca de íons por sais quaternários de amônio dando caráter hidrofóbico a superfície da argila pilarização: obtida através da introdução de compostos químicos que funcionam como pilares de dimensão molecular entre as lamelas da argila, mantendo-as afastadas e dando origem aos microporos adsorção física: consiste na adsorção de partículas a superfície da argila reações com ácidos: esta reação visa substitui o Na+ ou o Ca2+ interlamelares por H+, dissolver algumas impurezas presentes na argila (FOLETTO et al., 2001, SILVA 2011, OLIVEIRA 2010), dentre outros.. PAN et al. (2007) prepararam nanocompósito poliuretano/atapulgita dispersando a atapulgita em solução de ácido clorídrico 0.15 mol/L. Os resultados mostraram que a estabilidade térmica do nanocompósito aumentou com o aumento da quantidade de atapulgita. A resistência a tração das amostras foram significativamente melhorados pela adição da atapulgita, de 16.8MPa para o poliuretano puro para 56.6MPa para o nanocompósito.. LI et al., 2011 também avaliaram as propriedades mecânicas do. nanocompósito poliuretano/atapulgita modificada com sal quaternário de amônio e, de acordo com seus resultados, a incorporação de 1,5% de atapulgita modificada elevou a resistência a tração do poliuretano puro de 16,8MPa para 52,9MPa. Este resultado pode -7-.

(23) ser indicativo da distribuição homogênea e a forte adesão interfacial entre a atapulgita modificada e a matriz polimérica.. 1.1. HIDROGÉIS COMPÓSITOS EM SISTEMAS DE LIBERAÇÃO DE FÁRMACO. Hidrogéis compósitos despertam atenção em sistemas de liberação de fármacos porque podem melhorar as propriedades físico-químicas mencionadas anteriormente como também fornecer uma liberação mais lenta e contínua do fármaco em comparação aos polímeros puros (WANG et al., 2009). Dessa maneira, a liberação controlada de fármacos é utilizada para alcançar:. (1) concentração constante de compostos terapeuticamente ativo no sangue com variações mínimas, (2) taxa de liberação previsível e reprodutível por um longo período de tempo, (3) proteção dos compostos bioativos;. (4) eliminação dos efeitos colaterais, resíduos de drogas e doses freqüentes; (5) terapia otimizada; (6) solução do problema de estabilidade de drogas. Cinco perfis de liberação controlada que são altamente desejáveis são mostrados na Figura 01 (BAJPAI et al., 2008).. -8-.

(24) T a x a. Tempo. Figura 01: Perfis de liberação controlada (BAJPAI et al., 2008).. Perfil I: Liberação retardada;. Perfil II: liberação constante ou de ordem zero. Polímeros sintéticos ou bombas de liberação fármacos a uma taxa constante, em. que a. concentração do fármaco na corrente sanguínea é mantida em um nível ideal dentro da eficácia terapêutica (Figura 02);. Perfil III: liberação retardada de substânciais seguida por uma liberação constante do agente ativo. Tais sistemas são mais úteis para na liberação de fármacos em algum período durante a noite; Perfil IV: Atraso seguido de um pulso firme de liberação da droga;. Perfil V: pulsos múltiplos em períodos especificados.. Nos sistemas convencionais, a concentração do fármaco na corrente sanguínea segue o perfil mostrado na figura 02, em que a concentração do fármaco na corrente sanguínea apresenta um aumento, atinge um pico máximo e então declina (linha pontilhada), sendo necessária uma nova dosagem para retornar a faixa terapêutica (linha -9-.

(25) tracejada). Na liberação controlada busca-se o desenvolvimento de um mantenha a concentração do fármaco na corrente sanguínea dentro da faixa terapêutica, por um tempo prolongado, utilizando uma única dosagem (linha contínua). Em um sistema ideal deseja-se que a concentração do fármaco na corrente sanguínea seja mantida entre aquela mínima efetiva (CME) e a concentração mínima tóxica (CMT) (SADAHIRA 2007, RODRIGUES 2006). Dose única Conc. do fárma co no organ ismo. Dose repetida CMT. Dose controlada. Faixa terapêutica. CME. Tempo de ação desejado CMT: concentração máxima tóxica CME: concentração mínima eficiente. Figura 02: ilustração do perfil de liberação controlada de ordem zero (BAJPAI et al., 2008).. Nos sistemas de liberação controlada de fármacos (SLC) de hidrogéis, o fármaco encontra-se homogeneamente disperso na matriz polimérica ou adsorvido na superfície desta, e sua liberação pode ser classificada em três grandes categorias de acordo com o mecanismo que governa a liberação do fármaco: sistema controlado por difusão, por ação química e pela ativação do solvente. Este último pode ser controlado pela pressão - 10 -.

(26) osmótica ou pelo intumescimento, o qual exerce efeito pronunciado na cinética de liberação do fármaco incorporado (HOFFMAN, 2002, BAJPAI et al., 2008, RODRIGUES 2006). Dessa forma, a cinética de liberação em hidrogéis pode ser classificada em três tipos diferentes de acordo com as taxas relativas de difusão e relaxamento do polímero (AOUDA 2009, SINGH et al., 2007).. Difusão Fickiana: quando a taxa de difusão é muito menor do que o relaxamento das cadeias poliméricas.. Caso II: ocorre quando o processo de difusão é muito mais rápido quando comparado à relaxação das cadeias poliméricas;. Difusão não-Fickiana ou anômalo: Descrevem os casos onde as taxas de difusão e de relaxação são comparáveis. (PARANHOS 2007).. De acordo com a primeira lei de Fick, o comportamento de difusão controlada é o mais aplicado para descrever a liberação do fármaco a partir de hidrogéis. A primeira Lei de Fick define que a velocidade de difusão (Js) é diretamente proporcional ao gradiente de concentração (ΔCs) e inversamente proporcional à distância (Δx). Assim, uma substância irá se difundir mais rapidamente quando o gradiente de concentração for mais significativo, ou quando o coeficiente de difusão (Ds) é aumentado (CALLISTER 2002), equação 01.. ). A. difusão. de. drogas. a. partir. Equação 01. de. uma. matriz. de. hidrogel. é. dependente do tamanho do poro da matriz, que, por sua vez, é afetada por vários parâmetros, incluindo, principalmente, a grau de reticulação, a estrutura química dos monômeros, e, quando aplicável, do tipo e da intensidade dos estímulos externos. (WANG et al., 2010, SINGH et al., 2007). - 11 -.

(27) WANG et al. (2009) prepararam uma série de hidrogéis compósitos de quitosana-ɤ -poli ácido acrílico/atapulgita/alginato de sódio como sistema de liberaçãode fármaco. Os resultados mostraram que o hidrogel compósito possui rápida resposta a mudança de pH e que, a taxa de liberação do fármaco foi reduzida com a presença da atapulgita. ZHANG et al. (2010) estudaram o efeito da quantidade de vermiculita nos hidrogéis compósitos para liberação diclofenaco de potássio (DP). Os resultados mostraram que o aumento da quantidade de vermiculita ( ≥10% em peso) diminui a capacidade de intumescimento e prolonga a taxa de liberação do diclofenaco de potássio. Dentre os fármacos utilizados no processo de liberação o sulfato de gentamicina é um dos mais utilizados devido seu amplo espectro de ação, Figura 03.. Figura 03: Ilustração da estrutura da gentamicina (Santos 2008).. A gentamicina pertence à classe de antibióticos aminoglicosídeos e é usado para o tratamento de infecções graves, tais como: infecções respiratória, urinária, cutânea e óssea, causadas principalmente por bactérias. A gentamicina existe na forma de sais de sulfato, apresentando-se como um pó branco ou quase branco, higroscópico. É facilmente solúvel em água, moderadamente solúvel em metanol, etanol e acetona, e praticamente insolúvel em benzeno e hidrocarbonetos halogenados (MOHAMMAD et al., 2004, CHAISRI et al., 2011, CHANGEZ et al., 2003, CHI-HWA et al., 2005). Devido ao seu amplo espectro e por ser, ao contrário de muitos antibióticos, estável em altas temperaturas, é mais comumente utilizada na incorporação em cimento ósseo acrílico (CABANILLAS et al., 2000, AZI et al., 2010, COOMBES et al., 2006). - 12 -.

(28) Por outro lado, o emprego do sulfato de gentamicina pode ser vantajoso em materiais curativos a base de hidrogéis para queimaduras, uma vez que estes, como material curativo, pode criar um ambiente úmido, liberar substâncias terapêuticas para feridas exsudativas. Devido a sua flexibilidade, adesão controlada ao redor do tecido, permeabilidade a gás, facilidade de aplicação e remoção, capacidade de absorver os líquidos da área afetada, minimiza o crescimento bacteriano proprocionando assim o alívio da dor, o que consequentemente, acelera o processo de cicatrização (KOKABI et al., 2007, LOHAKAN et al., 2010, DIAS et al., 2011). Como mencionado anteriormente, diferentes tipos de cargas nanométricas, incluindo as nanoargilas, são utilizadas para reforçar hidrogéis para liberação de fármaco. A atapulgita, devido à sua morfologia estrutural, composição química intrínseca e elevada área superficial, tem recebido considerável atenção, pois pode agir como reticulador físico de polímeros hidrofílicos em solução, permitindo assim, a difusão de água através da rede polimérica, retardando a liberação inicial do fármaco (YANG et al., 2006, CHEN et al., 2009 e WANG et al., 2010).. 1.2. ATAPULGITA. Nanopartículas são partículas cujas dimensões (uma ou mais) são inferiores a 100 nm. As partículas que são caracterizadas por apenas uma dimensão na escala nanométrica são denominadas de nanocamadas/nanofolhas, a este grupo estão inseridas as argilas. (KUMAR et al., 2009). Argilas são comumente definidas como materiais naturais, terrosos, de granulação fina que, quando umedecidos com água, apresentam plasticidade. É constituída essencialmente por minerais argilosos cristalinos, mas podem conter também minerais que não são considerados minerais argilosos (quartzo, calcita, dolomita e outros) e matéria orgânica. Os minerais argilosos cristalinos recebem o nome de argilominerais, os quais são silicatos hidratados de Al, Fe e Mg, com estruturas cristalinas laminar ou fibrosa constituída por folhas contínuas de tetraedros SiO4 ordenados de forma hexagonal, condensados com folhas octaédricas de hidróxidos de metais tri e divalentes (TEIXEIRA NETO et al., 2009, COELHO et al., 2007 e SILVA et al., 2010). - 13 -.

(29) Os diferentes tipos de argilominerais são definidos de acordo com o número e a proporção de folhas em uma camada estrutural, com as substituições de cátions existentes nos octaedros e tetraedros e com a carga resultante das camadas. Os argilominerais podem ser classificados em duas estruturas: camadas 1:1; camadas 2:1. Estas se referem ao número de camadas de tetraedros de SiO4 e de octaedros de Al2(OH)6 ou Mg(OH)4, respectivamente, que entram na constituição da cela unitária da estrutura cristalina do argilomineral. Nas estruturas 1:1, estão os grupos: da caulinita; das serpentinas. Nas estruturas 2:1 estão os grupos: do talco-pirofilita; das micas; das esmectitas; das vermiculitas; das cloritas; da paligorsquita (atapulgita) – sepiolita. (COELHO et al., 2007, YANG et al., 2011). Atapulgita é um aluminosilicato de magnésio hidratado com uma estrutura cristalina tridimensional e uma morfologia fibrosa. A fórmula de cela unitária cristalina é: Mg10Si10O40(OH)4.(OH2)8.8H2O, onde, tal como na sepiolita, OH2 representa água estrutural e H2O água preenchendo os microcanais fibrosos do argilomineral, sua estrutura é estudada por Bradley no início de 1940 e está representado na Figura 04 (ZHANG et al., 2006 e COELHO et al., 2007). Pertence à família dos filossilicatos 2:1, do grupo paligorsquita – sepiolita, no qual as folhas tetraédricas de sílica são periodicamente invertidas com relação à base tetraédrica. Esta inversão acarreta a formação dos canais, os quais contem cátions trocáveis e moléculas de águas. A água pode ser perdida pelo processo de desidratação, liberando os canais e fazendo com que apresentem excelentes propriedades adsorventes. Por ser um material natural, seus canais podem estar preenchido por impurezas, tais como quartzo e dolomita. Estas podem ser removidas de sua estrutura por processo de sedimentação e tratamento ácido aumentando assim sua capacidade de adsorção (OLIVEIRA 2010). - 14 -.

(30) Figura 04: Ilustração da estrutura da atapulgita (BENVINDO et al., 2004).. Na estrutura deste aluminosilicato, o magnésio e o ferro podem substituir o alumínio total ou parcialmente. Devido estas substituições, um excesso de cargas negativas é gerado, produzindo um desequilíbrio de cargas, as quais são neutralizadas por cátions de compensação (Ca2+ e Na+) atraídos à superfície do mineral. Decorrente de Na+ e Ca2+ serem hidratados na presença de água, a superfície do argilomineral é hidrofílica (ROMERO-GARCIA et al., 2006, BILGIC 2005, OLIVEIRA 2010). A capacidade de troca catiônica da atapulgita varia entre 20 e 50 miliequivalente por 100 g, o que não pode ser comparada com a esmectita, no entanto é maior do que a caulinita. Sua área de superfície específica é cerca de 200 m2/g (BENVINDO et al., 2004). Devido as suas características estruturais, a atapulgita tem sido usada como adsorvente (FROST et al., 2010, YANG et al., 2011), em perfuração de poço de petróleo, formulações farmacêuticas (WANG et al. 2009) e carga em polímeros (CHEN et al., 2007).. - 15 -.

(31) Assim, o presente trabalho propõe a obtenção de hidrogel compósito PVA/atapulgita, no qual as fibras da nanoargila possam atuar como agente de reticulação física na matriz de PVA viabilizando seu uso sistema de liberação controlada do sulfato de gentamicina.. - 16 -.

(32) OBJETIVOS.

(33) 2. OBJETIVOS. 2.1- GERAL Caracterizar e avaliar a viabilidade do uso de hidrogéis compósitos PVA/atapulgita como sistema de liberação de fármaco.. 2.2- ESPECÍFICOS. Tratar e caracterizar a atapulgita;. Preparar e caracterizar hidrogéis compósitos PVA/atapulgita;. Avaliar a influência da porcentagem da atapulgita no processo de intumescimento dos hidrogéis compósitos PVA/atapulgita;. Preparar e caracterizar hidrogéis compósitos PVA/atapulgita contendo sulfato de gentamicina; Verificar o comportamento de intumescimento e o perfil de liberação do sulfato de gentamicina a partir dos compósitos PVA/atapulgita.. - 18 -.

(34) PARTE EXPERIMENTAL.

(35) 3. PARTE EXPERIMENTAL. 3.1. TRATAMENTO PRÉVIO DA ATAPULGITA A atapulgita in natura originária do Piauí foi submetida ao processo de sedimentação e 1g da fração fina tratada com ácido sulfúrico 5 mol/L durante 1h a 70°C±10°C sob agitação magnética. Posteriormente foi filtrada e lavada com água destilada até pH neutro. 3.1.1.. PREPARAÇÃO. DOS. HIDROGÉIS. COMPÓSITOS. PVA/ATAPULGITA. Na preparação dos hidrogéis foi utilizado o poli (álcool vinílico) (PVA), adquirido da Sigma Aldrich, que apresenta massa molecular ponderal Mw = 85000 – 124000 g/mol e possui um grau de hidrólise 98-99%. Após a ativação ácida da atapulgita, os hidrogéis compósitos contendo, em relação a massa do polímero, 0; 0,05; 0,5; 1 e 2 % de uma dispersão de atapulgita em 10 mL de água destilada foram preparados utilizando o homogeneizador Ultra turrax T 25. Os filmes foram obtidos a partir da dissolução do PVA (10% m/v) em banho maria a 80°C. Após a adição da atapulgita, o sistema foi mantido em agitação por 1h a 9.000 rpm. Após este tempo, a mistura foi levada ao banho no ultrassom por mais 1h para remoção de bolhas. Por fim a suspensão foi vertida e, com ajuda de um espaçador, espalhada em placa de vidro e seco a temperatura ambiente por 24h. (Figura 05).. Dissolução do PVA 80°C. Dispersão da atapulgita (1:30h Turrax). Banho ultra som (1h). FilmesHidrogéis. Vertida em placa de vidro. Secagem em temperatura ambiente por 24h. Figura 05: fluxograma da preparação dos hidrogéis compósitos pva/atapulgita. - 20 -.

(36) As amostras foram obtidas em formato de filme com espessura média 0,110 mm e denominadas em relação à porcentagem de argilas adicionada, sendo PVA 0 (PVA puro); PVA 0,05 (PVA com 0,05% de atapulgita); PVA 0,5 (PVA com 0,5% de atapulgita); PVA 1 (PVA com 1% de atapulgita) e PVA 2% (PVA com 2% de atapulgita) Figura 06.. PVA 2. PVA 0,5. PVA 1. PVA 0,05. PVA 0. Figura 06: Fotografia dos filmes preparados em diferentes quantidades de argila.. Os filmes de hidrogéis compósitos pva/atapulgita de acordo com a figura 06 mostram-se transparentes a olho nu para qualquer porcentagem de argila adicionada. 3.1.2-PREPARAÇÃO. E. CARACTERIZAÇÃO. DOS. HIDROGÉIS. PVA/ATAPULGITA CONTENDO SULFATO DE GENTAMICINA.. Os hidrogéis contendo sulfato de gentamicina foram preparados como descritos no item 3.1.1. Para o hidrogel PVA0 a adição do sulfato de gentamicina (5mg/ml ou 40mg/ml) foi realizada após a dissolução do PVA e, procedimento similar foi feito para o hidrogel compósito PVA1, no entanto, a adição do SG foi logo após a adição da atapulgita. As amostras foram denominadas como PVA0_5 e PVA1_5 para os hidrogéis contendo 5mg/ml de sulfato de gentamicina. PVA0_40 e PVA1_40 para os hidrogéis contendo 40mg/ml. Estas concentrações foram escolhidas, pois já são utilizadas em medicamentos (solução injetável e pomadas) contendo o sulfato de gentamicina. - 21 -.

(37) 3.2 – CARACTERIZAÇÕES. 3.2.1- FLOUROSRÊNCIA DE RAIO X (FRX). As análises foram realizadas por um espectrofotômetro de Fluorescência de Raios X por Energia Dispersiva Modelo SHIMADZU 720, localizado no Instituto Tecnológico e de Pesquisas do Estado de Sergipe (ITPS). 3.2.2- DIFRAÇÃO DE RAIO X (DRX) Os difratogramas de raio X das amostras foram obtidos utilizando um difratômetro da Shimadzu, modelo DRX 6000, operando em modo de varredura, com radiação CuKa (λ = 1,54056 Å) e filtro de níquel com voltagem de 40 kV e corrente de 40 mA, velocidade de varredura 2º/mim, em passo de 0,02°. Para a caracterização das argila tratada com ácido sulfúrico foi utilizado um intervalo de 2θ (5 - 40º) e para os hidrogéis de PVA puro e para os compósitos 2θ (5 - 50º).. 3.2.3-. ESPECTROSCOPIA. NO. INFRAVERMELHO. COM. TRANSFORMADA DE FOURIER (FTIR). As caracterizações por espectroscopia vibracional foi realizada em um espectrofotômetro FT-IR da Perin Elmer spectrum100. Análise foi realizada no módulo de reflectância difusa com 32 escaneamentos e 4cm-1 de 4000 a 550cm-1.. 3.2.4- CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC). As análises foram feitas em duplicata, realizadas em um DSC Netzsch, modelo 200f3 em atmosfera de nitrogênio. Foi realizado um primeiro aquecimento de 40°C até 150°C, a uma taxa de 10°C/min para eliminar o histórico térmico da amostra. Seguido de refriamento sem controle da taxa. Um segundo aquecimento foi realizado até 240°C - 22 -.

(38) a uma taxa de 10°C. A partir desta segunda curva de aquecimento, foram obtidas as temperaturas de fusão (Tm) e de cristalização (Tc), sendo os valores numéricos obtidos para cada temperatura a média entre duas medidas.. 3.2.5- MEDIDAS DE VISCOSIDADE. A medida da viscosidade das amostras foi realizada em Viscometer Brookfield modelo: DV-II PRO, a 100 rpm em uma temperatura de 24°C.. 3.2.6- GRAU DE INTUMESCIMENTO (GI). Os testes de intumescimento dos hidrogéis foram feitos em triplicata a 37°C em solução tampão pH (5 e 7,4) de concentração 0,1mol/L Na2HPO4 e NaH2PO4. Os filmes foram devidamente pesados com valores de massa constante 10mg e, em seguida, colocados em béqueres com 20 mL de tampão. Em intervalos regulares (5min, 10min, 15min, 30min, 60min, 120min, 180min, 1440min e 2880min) as amostras foram removidas da solução, o excesso de água era removido com ajuda do papel filtro e pesado novamente. O grau de intumescimento (GI) foi calculado de acordo com a equação 2: Grau de intumescimento (GI) = ((Mi - Ms) / Ms) x 100, onde Mi e Ms correspondem à massa do hidrogel inchado em um tempo t e a massa do hidrogel seco, respectivamente. Para os hidrogéis contendo o sulfato de gentamicina, simultaneamente ao teste de intumescimento em solução tampão (pH 7,4), em cada intervalo estabelecido ( 5, 15, 30, 60, 120, 180, 240, 300, 360, 420, 480 e 600 min), 3 ml da solução eram coletadas para quantificar a liberação de sulfato de gentamicina usando espectroscopia no ultravioleta (UV-Vis, Lambda 25, Perkin Elmer, EUA) em comprimento de onda fixo 249nm. Uma curva analítica de calibração foi construída para determinar a concentração liberada de sulfato de gentamicina.. - 23 -.

(39) RESULTADOS E DISCUSSÕES.

(40) 4 – RESULTADOS E DISCUSSÃO. 4.1- CARACTERIZAÇÃO DA ATAPULGITA. A composição química da atapulgita in natura e ácida foi investigada através de fluorescência de raio X e os resultados encontrados estão apresentados na Tabela 01. Tabela 01: Composição química (%massa) da atapulgita in natura e após ativação ácida. SiO2 MgO Al2O3 CaO Fe2O3 K2O TiO2 MnO BaO ZrO2 Rb2O ZnO Y2O3 SrO. In natura (%) 56.123 15.324 13.342 7.323 5.408 1.063 0.780 0.391 0.181 0.022 0.015 0.012 0.008 0.007. Ácida (%) 67.692 14.854 8.566 4.979 1.582 1.052 0.939 0.172 0.115 0.028 0.009 0.007 0.002 0.002. Nos difratogramas de raio X (Figura 05) observa-se que os picos em 2θ = 8,6°, 14,03°, 16,57° e 26,98° correspondem aos planos primários de difração (1 1 0), (2 0 0), (0 4 0) e (4 0 0) da atapulgita, respectivamente. O pico de difração observado em 2θ = 8,6° característico da atapulgita é atribuído ao plano primário da face do cristal. Estes picos de difração também foram encontradas nos trabalhos de WANG et al., 2005 e YANG et al., 2006. Observa-se que o quartzo foi a principal impureza presente na atapulgita in natura, removida parcialmente pelo processo de sedimentação (redução dos picos em 2θ = 20,93° e 26,98°). Após ativação ácida, não é verificada a fase referente à dolomita (2θ = 31,13°) (Figura 07). A dolomita é um mineral de carbonato de cálcio e magnésio [CaMg(CO3)2] que em presença de ácido sulfúrico se transforma em sulfato de cálcio, sulfato de - 25 -.

(41) magnésio e ácido carbônico. Quando presente na atapulgita, a dolomita, é classificada como impureza a qual pode estar presente nos canais da argila responsáveis pela adsorção de moléculas (OLIVEIRA 2010). Uma vez removida, os canais da atapulgita. 31,13°. 26,98°. 20,93°. 16,57°. 14,03°. (d). Intensidade (u.a.). 8,6°. ficam mais livres facilitando sua capacidade de adsorção.. (c). (b). (a). 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 2 (°) Figura 07: Difratogramas da (a) atapulgita in natura, (b) atapulgita sedimentada, (c) quartzo proveniente do precipitado e (d) da atapulgita ácida.. De acordo com SAMTANI et al., 2001, a presença da dolomita também pode ser verificada através dos picos de difração em 2θ = 41° e 45°, porém devido ao intervalo de medida selecionado no presente trabalho, estes picos de difração não puderam ser identificados. A caracterização foi complementada pela espectroscopia no infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR). O espectro da atapulgita (Figura 08) apresenta bandas de absorção na região de 3611 e 3532cm-1 que são associadas ao estiramento dos grupos hidroxilas O-H da atapulgita. A banda observada em 1650cm-1 é atribuída à água coordenada ao magnésio. Em 985cm-1, corresponde à ligação Si-OH nas folhas - 26 -.

(42) tetraédricas. O pico observado em 1188cm-1 característico da atapulgita, está relacionado com a inversão dos oxigênios na ligação Si-O-Si. Em 912cm-1, deformação Al-OH-Al característico de atapulgita dioctaédrica. As bandas observadas estão de acordo com a literatura (FROST et al., 2006, ROMERO-GARCÍA et al., 2006). Observam-se também as bandas em 1428 cm-1 referente ao estiramento assimétrico do grupo CO32- e em 876 cm-1 relacionada à deformação angular do grupo CO32- presentes na dolomita (SAMTANI et al., 2001). Este resultado sugere que o tratamento ácido na atapulgita foi eficiente na remoção parcial da dolomita.. Transmitância (u.a.). (b). 4000. 3500. 3000. 2500. 2000. 1500. 912 985. 1188. 1428. 1650. 3611 3532. 876. (a). 1000. 500. -1. Nْ de onda (cm ) Figura 08: Espectros da (a) atapulgita in natura e (b) da atapulgita ácida.. Pode-se observar, através das caracterizações realizadas, que não houve mudanças significativas na estrutura da atapulgita após a ativação ácida.. - 27 -.

(43) 4.2.. CARACTERIZAÇÃO. DOS. HIDROGÉIS. COMPÓSITOS. PVA/ATAPULGITA. 4.2.1. INFLUÊNCIA DA ARGILA NA CRISTALINIDADE DO POLÍMERO A cristalinidade em polímeros é o estado em que se atinge um arranjo atômico periódico e repetido mediante o alinhamento da cadeia molecular. Em compósitos de matriz polimérica é conhecido que as nanoargilas podem atuar como agente de nucleação na cristalização de matriz polimérica resultando em maiores taxas. de. cristalização. A formação de cristais incluem duas etapas a nucleação (formação de pequenos núcleos da nova fase) e o crescimento (aumento em tamanho dos núcleos da nova fase) de cristais. (CALLISTER, 2002, HOMMINGA et al., 2006). Na Figura 09 encontram-se os difratogramas de raio X dos hidrogéis obtidos e denominados em relação à porcentagem de argilas adicionada, sendo PVA 0 (PVA puro); PVA 0,05 (PVA com 0,05% de atapulgita); PVA 0,5 (PVA com 0,5% de atapulgita); PVA 1 (PVA com 1% de atapulgita) e PVA 2% (PVA com 2% de atapulgita) hidrogéis compósitos. No PVA0 observa-se um único pico de difração em 2θ = 20,20° no plano (1 0 1) caracteriza-o como um polímero semicristalino. Plano também verificado por XIAO et al., 2006, SOARES et al., 2007 e BANERJI et al., 2009. O mesmo padrão de difração pode ser observado nas demais amostras. Observa-se (Figura 09) que a presença da atapulgita não causa mudanças significativas no pico de difração do PVA (2θ=20,2°). Fica evidente a presença da atapulgita nos. hidrogéis compósito com concentrações de argila mais elevadas (PVA1 e PVA2) devido ao aparecimento do pico em torno de 8,6°, correspondente ao plano (1 1 0). Este fato pode ser indicativo de aglomeração das fibras da atapulgita, como se trata de um filossilicato de elevada área superficial, as partículas possuem tendência em se aglomerar. No entanto, para as amostras com menor concentração de atapulgita (PVA0,05 e PVA0,5) o pico característico da argila não é observado. Comportamento similar foi verificado por VIÇOSA et al., 2009 em hidrogéis nanocompósitos de PVA/sepiolita como também por CHEN et al., 2007 e ALKAN et al., 2009 em hidrogéis nanocompósitos de poliuretano/sepiolita e PVA/sepiolita respectivamente.. - 28 -.

(44) PVA2. Intensidade (u.a.). 8,6°. PVA1. PVA0,5. PVA0,05 20,2°. PVA0. 10. 20. 2. 30. 40. 50. (°). Figura 09: Difratogramas de raio X dos hidrogéis compósitos contendo diferentes porcentagem de atapulgita (PVA0; PVA0,05; PVA0,5; PVA1 e PVA2).. De maneira a avaliar mudanças na cristalinidade do polímero, a partir dos difratogramas de DRX e de acordo com UVAROV et al.(2007), pode-se estimar o tamanho de cristalito dos hidrogéis de PVA e dos hidrogéis compósitos, utilizando a equação Sherrer (Equação 3).. Equação 03. - 29 -.

(45) onde d é o tamanho de cristalito, λ (1,54056 Å) é comprimento de onda do raio X, β é a largura meia altura do pico de difração, θ é o ângulo de difração e K é a constante Sherrer cujo valor é 0,9 (UVAROV et al., 2007). De acordo com a Tabela 02 observa-se que o tamanho do cristalito não muda significativamente com o aumento da quantidade de argila. Supondo que a presença da atapulgita não influencia na cristalinidade do polímero. Comportamento já verificado por SHENG et al. (2005).. Tabela 02: tamanho de cristalito dos hidrogéis PVA e dos compósitos β (radiano) 0,052 ±0,00057 0,050 ±0,00057 0,050 ±0,00057 0,049 ±0,00015 0,052 ±0,00057. Amostras PVA 0 PVA 0,05 PVA 0,5 PVA 1 PVA 2. Tamanho de cristalito (Å) 26,50 ±0,28 27,36 ±0,31 27,36 ±0,31 28,11 ±0,86 26,32 ±0,24. Por sua vez, os resultados de DSC mostraram que a argila possui influência nas. Fluxo de calor. temperaturas de fusão e cristalização do PVA (Figura 10 e11).. PVA0 PVA0,05% PVA0,5% PVA1% PVA2% 100. 120. 140. 160. 180. 200. 220. 240. Temperatura (°C) Figura 10: Temperatura de fusão dos hidrogéis compósitos contendo diferentes porcentagem de atapulgita (PVA0; PVA0,05; PVA0,5; PVA1 e PVA2). - 30 -.

(46) Fluxo de calor. PVA0 PVA0,05% PVA0,5% PVA1% PVA2%. 140. 160. 180. 200. 220. Temperatura (°C) Figura 11: Temperatura de cristalização dos hidrogéis compósitos contendo diferentes porcentagens de atapulgita (PVA0; PVA0,05; PVA0,5; PVA1 e PVA2). Observa-se pela Tabela 03 que tais temperaturas aumentam com o acréscimo da quantidade de argila. Observa-se que, em relação ao polímero puro (PVA0), as amostras contendo 0,5% e 2% de atapulgita (PVA0,5 e PVA2) alcançaram os maiores valores nas temperaturas de fusão e cristalização. Possivelmente, a argila esteja atuando como agente de nucleação para cristalização do polímero em maiores temperaturas. Comportamento similar foi previamente observado (SILVA 2010, YANG et al., 2006, HOMMINGA et al., 2006 e MEERBEEK et al., 2006).. Tabela 03: temperaturas de fusão (Tm) e cristalização (Tc) dos hidrogéis de PVA dos compósitos Amostras PVA 0 PVA 0,05 PVA 0,5 PVA 1 PVA 2. Tm (°C) 221 221 223 223 224. Tc (°C) 192 193 196 196 197 - 31 -.

(47) Outra técnica utilizada que pode fornecer informações sobre a interação do polímero com a argila é a espectroscopia vibracional no infravermelho. De acordo com a ilustração da estrutura química do PVA (Figura 12), observa-se que as principais bandas de absorção esperadas são as vibrações dos grupos (-OH), estiramento simétrico e assimétrico dos grupos alifáticos (-CH2) e (-CH), (O=C-OR), (C-O-C), as quais encontram-se em 3330 cm-1 , 2934 cm-1 e 2856 cm-1, 1436 cm-1, 1194 cm-1. Uma estreita banda a 1714cm-1 correspondente ao estiramento C=O do grupo acetato do PVA. De acordo com (LIU et al., 2009), a banda em 1653 cm-1 corresponde a absorção de moléculas de água (Figura 13).. Figura 12: Ilustração da estrutura química do PVA (SADAHIRA 2007) Observa-se na Figura 13(a) e Tabela 04 que a banda referente a vibração de grupos OH do polímero foi deslocada após adição da atapulgita. Nesta banda, ocorre um ligeiro aumento no número de onda para os hidrogéis compósitos com 0,5 e 1% e, uma ligeira redução para os hidrogéis compósitos com 0,05 e 2% em peso de atapulgita. Tal comportamento indica formação de ligação de hidrogênio entre os grupos de hidroxila do PVA e os grupos silanol (Si-OH) presentes na superfície da argila. Para a o hidrogel compósito PVA0,5, além do deslocamento da banda referente ao grupo OH, ocorre também um deslocamento da vibração C-O do polímeros de 1088cm-1 para 1093cm-1 no compósito. Nesta mesma amostras, aprece um pico em 1032cm-1 relacionado a vibração Si-O-Si. Este comportamento também é indicativo de formação de ligação de hidrogênio com os grupos silanol presente na superfície da atapulgita. Resultados similares foram encontrados por CHEN et al., 2012 e ALKAN et al., 2009 com nanocompósitos de PVA/sepiolita.. - 32 -.

(48) Transmitancia (u.a.). PVA 2. PVA 1. PVA 0,5. PVA 0,05. PVA 0. 4000. 3500. 3000. 2500. 2000. 1500. -1. Nْ de onda (cm ). 1032. 3330. 1714 1653 1562 1436. Atapulgita Acidificada. 1000. Figura 13: (a) Espectros dos hidrogéis compósitos contendo diferentes porcentagens de atapulgita (PVA0; PVA0,05; PVA0,5; PVA1 e PVA2).. - 33 -.

(49) Tabela 04: Atribuições das bandas de vibração dos hidrogéis compósitos.. PVA0 3330 2934 2856 1714 1653 1562 1426 1298 1088. Bandas (cm-1) PVA0,05 PVA0,5 PVA1 Deslocadas 2934 2926 2934 2856 2836 2836 1714 1714 1656 1653 1563 1508 1408 1234 1080. Atribuições PVA2 2934 2890 1714. υ-OH υ- CH2 υ-CH υ C=O. 1653. υOH υ COO-. 1562. 1562. 1562. 1412. 1426. 1426. 1093/1032. 1093. 1083. υ O=C-OR υ C-H δ COOυ C-O e δ OH. Além disso, na Figura 13 (b), o pico relacionado ao estiramento C=O não foi verificado no hidrogel compósito com 0,5% de argila e, nas amostras com 0,05, 1 e 2 % em peso de atapulgita, observa-se um ombro para o mesmo pico.. Uma vez que a interação entre PVA e atapulgita esteja ocorrendo na superfície, esta interação parece ser mais pronunciada com a incorporação de 0,5% de atapulgita na matriz polimérica.. - 34 -.

(50) Transmitancia (u.a.). (b) PVA 2 PVA 1. PVA 0,5. PVA 0,05. 1032. 1456. 1714 1652 1562. PVA 0. Atapulgita Acidificada. 2000. 1500. 1000. -1. Nْ de onda (cm ). Figura 13: (b). Ampliação da região 2000-500cm-1 dos espectros da atapulgita. acidificada e dos hidrogéis compósitos contendo diferentes porcentagens de atapulgita (PVA0; PVA0,05; PVA0,5; PVA1 e PVA2).. Outra evidência de interação dos hidrogéis compósitos preparados foi verificada através de medidas da viscosidade. De acordo com Figura 14, a presença da atapulgita proporciona um aumento da viscosidade da solução em relação a solução do polímero puro. A viscosidade a 0% foi de 1047cP e a 2% aumentou para 1998cP. YIN et al. (2010) encontraram resultado similar e sugeriram que o aumento da viscosidade com a temperatura é devido à dispersão da argila - 35 -.

(51) Viscosidade (cP). 2000 1800 1600 1400 1200 1000 0,0. 0,5. 1,0. 1,5. 2,0. % argila Figura 14: Medidas da viscosidade dos hidrogéis compósitos. Após estas caracterizações, foi verificado se a quantidade de atapulgita possui influência no comportamento de intumescimento dos hidrogéis.. 4.2.2. INFLUÊNCIA DA ARGILA NO COMPORTAMENTO DE INTUMENSCIMENTO DO POLÍMERO. O grau de intumescimento é uma medida da quantidade de líquido absorvido e retido pelo hidrogel. A Figura 15 mostram o grau de intumescimento (GI) dos hidrogéis compósitos (PVA 0; PVA 0,05;PVA 0,5;PVA 1 e PVA 2%) em função do tempo variando o pH (5 e 7,4) a 37°C.. - 36 -.

(52) 800. (a). 700 600. GI (%). 500 400 300. PVA PVA0,05 PVA 0,5 PVA1 PVA2. 200 100 0 -100 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Tempo (min). (b). 800 700. GI (%). 600 500 400 300. PVA PVA0,05 PVA 0,5 PVA1 PVA2. 200 100 0 -100 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Tempo (min) Figura 15: Grau de intumescimento à 37°C dos hidrogéis PVA0 e dos hidrogéis compósitos ( 0,05-2%) com atapulgita. (a) pH_5 e (b) pH_7,4. - 37 -.

(53) Observa-se (Figura 15) que todos os hidrogéis preparados possuem um alto grau de intumescimento, acima de 600%, nos primeiros 60min de imersão. Nota-se que após 120min há uma redução no grau de intumescimento dos hidrogéis e seu comportamento possui tendência ao equilíbrio. De acordo com HARAGUCHI (2007) e CAN et al., (2007) este comportamento pode ser explicado pelo rearranjo das cadeias poliméricas emaranhadas e das partículas de argila durante o curso de intumescimento. Percebe-se que os hidrogéis não mostram diferenças significativas no GI no equilíbrio em pH 5. No entanto, quando o pH muda para 7,4 o GI aumenta a medida que a quantidade de argila aumenta Figura 15 (b). Uma vez que o PVA é classificado como um polímero neutro, ou seja, não pode se ionizar em solução aquosa, sugere-se que o comportamento apresentado acima esteja relacionado a interação dos grupos OH- e H+ presentes na superfície da atapulgita. Comportamento similar foi verificado por LI et al. (2009) em seu estudo sobre o comportamento de intumescimento de hidrogéis nanocompósitos poliacrilamida/laponita. Os resultados mostraram que os hidrogéis nanocompósitos apresentaram menor grau de intumescimento em solução de pH 2 e 3. De acordo com os autores, em solução ácida os íons H+ interagem com os íons OH-, presente na superfície da laponita, induzindo a redução da concentração iônica na rede, o grau de intumescimento e o grau de intumescimento no equilíbrio.. 4.2.3. ESTUDO CINÉTICO DO INTUMESCIMENTO DOS HIDROGÉIS COMPÓSITOS. No sistema de hidrogéis, o processo inicial de absorção de água (intumescimento) corresponde a difusão de moléculas de água para dentro do hidrogel. Existem varios modelos cinéticos capazes de avaliar o comportamento de intumencimento, embora o mais frequentemente utilizado na literatura esta representado na equação 04 (SINGH 2007, SING 2010).. Equação 04 - 38 -.