AVALIAÇÃO DA MISCIBILIDADE DE BLENDAS DE
POLI(P-DIOXANONA) E POLI(3-HIDROXIBUTIRATO)
Luciana Prazeres1, Vitor H. Grigull1, Michele C. F. Garcia1, Eliana A. R. Duek2, Andrea R. Esposito3, Andréa L. S. Schneider1, Ana Paula T. Pezzin1*
1
Depto. deEngenharia Ambiental da Universidade da Região de Joinville UNIVILLE – Caixa Postal 246, CEP: 89201-972 Santa Catarina / SC -luciana.przs@yahoo.com.br;vitor_gull@hotmail.com;
michele_formolo@yahoo.com.br; aschneider@univille.edu.br; *anapezzin@yahoo.com.br; 2 Depto. de Ciências Fisiológicas da Pontifícia Universidade Católica PUCSP – eliduek@fem.unicamp.br;3 Laboratório de Biomateriais da
PUCSP - deia_esposito@yahoo.com.br.
Evaluation of miscibility of poly(p-dioxanone) and poly(3-hydroxybutyrate) blends
Abstract: The environmental impact caused by the disposal of plastics has motivated the development of biodegradable and biocompatible materials. One example of this kind of material is poly(3-hydroxybutyrate), P(3HB), a bacterial storage compound that are synthesized and deposited intracellularly in the form of inclusion bodies (“granules”) and might amount up to 90% of the cellular dry weight. Considering the low properties of P(3HB), this work aimed to characterize PPDO/P(3HB) blends, prepared by casting, with compositions varying from 100/0 to 0/100 (w/w). DSC analyses showed that the Tm values were constants for 20/80 and 40/60 PPDO/P(3HB) composition, suggesting they are immiscible. Tm decreased from 106°C to nearly 90°C for blends with 50/50 and 60/40 PPDO/P(3HB) composition, indicating a possible partial miscibility for these compositions. We conclude that PPDO can acts as plasticizer, improving the blend characteristics. The composition 50/50 presented a porous morphology suggesting that this material has great potential to be used as scaffolds.
Introdução
O uso de plásticos convencionais como matéria-prima para o desenvolvimento de produtos tem se tornado cada vez mais freqüentes na sociedade, devido ao baixo custo, durabilidade e resistência. No entanto, isso traz como contra-indicação o acúmulo de resíduos de lenta biodegradabilidade nos aterros sanitários, evidenciando um grave problema ambiental. Alternativamente, os polímeros biodegradáveis vêm sendo pesquisados, pois possuem propriedades similares aos petroquímicos, além de serem degradados no solo pela ação de microrganismos em poucos meses, sendo transformados em água e gás carbônico.
As polidioxanonas são consideradas uma das famílias de polímeros mais atrativas e promissoras. Isto porque além de bioreabsorvíveis são também biocompatíveis, podendo ser utilizados em diversas aplicações na área médica. O termo bioreabsorvível é definido para polímeros sólidos que sofrem degradação, principalmente por hidrólise, através da cisão das ligações ésteres, formando produtos atóxicos, biocompatíveis e que depois são reabsorvidos in vivo pelo organismo e eliminados por caminhos naturais após a sua metabolização (VERT et al., 1992).
A poli(p-dioxanona) (PPDO), sintetizada em 1977 (DODDI et al., 1977),é comercializada como sutura cirúrgica bioreabsorvível desde 1981, com o nome comercial polidioxanone suture
(PDS). A Tg da PPDO varia de -10 a 0ºC, devido às ligações C-O-C, que conferem ao polímero maior mobilidade às cadeias e portanto, alto nível de flexibilidade (PEZZIN, 2001).
Outra família de polímeros muito promissora são os poli(hidroxialcanoatos) (PHAs), são termoplásticos biodegradáveis produzidos mediante processos biotecnológicos a partir de fontes de carboidratos renováveis e constituem uma classe geral de polímeros microbianos [GOMES et al. (1997) apud Santos (2006)], que em bactérias são produzidos e acumulados intracelularmente, na forma de grânulos, como reserva de carbono e energia, podendo apresentar até 90% da massa seca total da célula [DAWES et al. (1997) apud SANTOS (1973)].
O poli(3-hidroxibutirato) (PHB) é um dos PHAs mais estudados e possui propriedades termoplásticas semelhantes às do polipropileno. Entre os microrganismos que produzem P(3HB), a espécie Ralstonia eutropha é uma das que apresentam as condições mais favoráveis para produção em escala industrial [DAWES et al. (1997) apud SANTOS (1973)]. Porém, devido à sua fragilidade mecânica, suas aplicações são limitadas. A fim de se obter um material com melhores características, o P(3HB) pode ser modificado através de misturas físicas com outros polímeros que sejam também biodegradáveis (SCHNEIDER, 2006). A poli(p-dioxanona) (PPDO) pode agir como plastificante polimérico melhorando a flexibilidade da blenda, visando o emprego desses filmes em diversas áreas.
O crescente progresso científico e comercial na área de blendas poliméricas, a partir da década de 70, deve-se ao fato de que a produção de blendas pode ser realizada com maior rapidez que o desenvolvimento de novos polímeros (PAUL et al., 1989). Uma das vantagens da mistura de polímeros diferentes é que é possível combinar também as suas propriedades, produzindo materiais para aplicações novas, nas quais os polímeros individuais não são adequados. Além da melhoria das propriedades mecânicas e físico-químicas, em alguns casos, a adição de um polímero a outro, resulta num material de melhor processabilidade e aparência final.
O termo blendas poliméricas é utilizado pela maioria dos autores para representar a mistura física de dois ou mais polímeros (ou copolímeros) (MANSON & SPERLING, 1976). Segundo UTRACKI (1989), as blendas poliméricas podem ser classificadas em miscíveis ou imiscíveis. As blendas miscíveis apresentam-se como uma única fase, onde os componentes estão intimamente
misturados, apresentam uma única temperatura de transição vítrea (Tg), além da transparência. Em
contrapartida, as blendas imiscíveis apresentam duas ou mais fases distintas, cada uma
correspondente aos componentes individuais (processo denominado de separação de fases), uma Tg
para cada fase, opacidade e, quando não compatibilizadas, baixa dispersão e adesão interfacial, alta tensão interfacial e propriedades mecânicas insatisfatórias (PAUL & NEWMAN, 1978).
Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo avaliar a miscibilidade das blendas de PPDO/P(3HB), dois polímeros biodegradáveis, visando melhorar as propriedades do P(3HB).
Experimental
Os polímeros utilizados neste trabalho foram o poli(3-hidroxibutirato) P(3HB) e a poli(p-dioxanona) (PPDO). O P(3HB) foi sintetizado por Ralstonia eutropha em biorreator MD B.
BRAUN, em cuba de 5 L, contendo 4 L de volume útil, a 30 oC. As células foram cultivadas por 30
horas, tendo como fonte de carbono, glicose e frutose e nitrogênio como nutriente limitante na forma de sulfato de amônio.
Após o cultivo, o P(3HB) foi obtido pelo método de extração mecânico sem a etapa de purificação (GARCIA, 2006).
A PPDO foi adquirida na forma de sutura violeta (Ethicon, Inc). O corante foi previamente
extraído em diclorometano (CH2Cl2), com agitação constante à temperatura ambiente por 24 horas.
As blendas PPDO/P(3HB) foram preparadas por evaporação de solvente a temperatura ambiente nas composições (0/100), (20/80), (40/60), (50/50), (60/40), (80/20) e (100/0) (m/m). A PPDO e o P(3HB) foram dissolvidos separadamente em um solvente comum, o hexafluorisopropanol (HFIP), para formar soluções 5 % (m/v), que foram mantidas em agitador magnético por 30 min, até completa homogeneização. As soluções foram misturadas e vertidas em um molde de vidro (55x30x5 mm) e acondicionadas em uma câmara para evaporação do solvente por 24 horas. Os filmes foram secos em estufa a vácuo a 60 °C por 24 horas e armazenados em dessecador. As blendas foram caracterizadas por calorimetria exploratória diferencial (DSC) e microscopia eletrônica de varredura (MEV).
Para as análises de DSC (TA Instruments, mod. 2920), as amostras foram aquecidas sob atmosfera de argônio de 25 a 200 °C a 10 °C/min, resfriadas até -70 °C a 20 °C/min e aquecidas até 200 °C a 10 °C/min (segundo aquecimento).
Os fragmentos da superfície superior dos filmes e superfície de fratura dos mesmos (fraturadas em N2 líquido), foram fixados em um suporte metálico e recobertos com uma fina camada de ouro, utilizando-se um metalizador de amostras BAL-TEC SCD 050. Os fragmentos foram observados ao microscópio eletrônico de varredura Zeizz DSM 940.
Resultados e Discussão
Na Figura 1, pode-se observar a cinética de crescimento (biomassa total (Xt), biomassa residual (Xr), proteína (P)) e síntese de polímero P(3HB). Nota-se duas fases bem características, a fase de crescimento celular e a de produção de polímero. Durante a fase de crescimento, na qual havia nitrogênio disponível, o aumento da massa celular resultou quase que totalmente no aumento da biomassa residual, e um acúmulo de P(3HB) no interior da célula de cerca de 28% no final desta fase, indicando que baixas concentrações de nitrogênio já são limitantes para permitir o
acúmulo intracelular de polímero. Como discutido por Ramsay et al. (1990) apud Schneider (2006), concentrações abaixo de 0,2 g/L de nitrogênio já permitem o acúmulo de P(3HB) durante a fase de crescimento não limitado.
Na segunda fase, que ocorreu após a exaustão de nitrogênio (representada pela linha pontilhada), a produção de P(3HB) foi acentuada, alcançando um acúmulo total de 66 % de P(3HB) no interior das células após 30h, enquanto o aumento da biomassa residual tornou-se quase inexistente. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 40 Tem po (h) X t, X r, P H B , P ( g /L ) Xt (g/L) Xr (g/L) P(3HB) P (g/L)
Figura 1 - Evolução do cultivo em batelada alimentada a 30 o
C expresso em concentração de biomassa total (Xt), biomassa residual (Xr), formação de proteína (P) e produção de P(3HB).
As curvas da análise de DSC demonstram as temperaturas de transição vítrea (Tg), de fusão
(Tm) e de cristalização (Tc) das diferentes composições das blendas de PPDO com P(3HB), conforme mostra a Figura 2.
Figura 2 – Curvas de DSC das blendas de PPDO/P(3HB) obtidas no segundo aquecimento, mostrando a Tg, Tc e Tm:
a) 100/0; b) 80/20; c) 60/40; 50/50; 40/60; 20/80; 0/100. Fase de cresci-mento Fase de produção
Analisando os dados obtidos a partir das curvas da Figura 2, observou-se que o polímero
PPDO (Figura 2a) apresentou Tg em torno de -11 °C, temperatura de cristalização (Tc) em 30 °C e
temperatura de fusão (Tm) em 106 °C, enquanto o polímero sintetizado não apresentou Tg (entre -5 e
5 °C) e Tm típicos do P(3HB) (Figura 2g), este fato pode ser atribuído a presença de impurezas evidenciando a importância da etapa de purificação.
Existe um terceiro grupo de blendas, chamadas de parcialmente miscíveis, em que se
observa duas Tgs, porém deslocadas (GASSNER & OWEN, 1994). As blendas PPDO/P(3HB)
50/50 e 60/40 apresentaram decréscimo significativo da Tm da PPDO de 106°C para cerca de 90°C,
indicando uma possível miscibilidade parcial dos polímeros nestas composições, conforme descrevem Peter (1984) e Nishi (1975). Por outro lado, as blendas 20/80 e 40/60 não apresentaram
deslocamento da Tm da PPDO, sugerindo que nestas composições, os polímeros são imiscíveis.
As micrografias obtidas por MEV das superfícies do P(3HB) e da PPDO são apresentadas na Figura 3, onde se observa que a morfologia do P(3HB) é aparentemente similar, se comparada com a morfologia da PPDO. Enquanto a PPDO apresenta uma superfície irregular, composta por pequenos glóbulos pontiagudos com cerca de 50 µm, o P(3HB) possui com glóbulos maiores, com cerca de 200µm de comprimento e menos pontiagudos.
P(3HB) PPDO
Figura 3 – Micrografias obtidas por MEV das superfícies do P(3HB) e PPDO.
As micrografias obtidas por MEV das superfícies das blendas de PPDO/P(3HB) mostradas na Figura 4, revelam as composições 20/80, 40/60 e 80/20 são heterogêneas, possuem duas fases distintas, sendo assim consideradas imiscíveis, enquanto as composições 50/50 e 60/40 apresentam-se mais homogêneas, apresentam-sem apresentam-separação de faapresentam-ses, indicando uma miscibilidade parcial, confirmando os resultados obtidos por DSC. Pezzin (2001), ao estudar o comportamento de fases de blendas de PPDO com poli(L-ácido láctico) (PLLA), concluiu que as blendas PPDO/PLLA (40/60), (50/50) e
(60/40) apresentaram uma completa separação entre as fases, enquanto que as blendas (20/80) e (80/20) mostraram maior homogeneidade, apresentando similaridade com o polímero em maior concentração, em função da baixa concentração do segundo componente. Entretanto, uma análise mais minuciosa, indicou que estas blendas também apresentaram separação de fases.
PPDO/P(3HB) 20/80 PPDO/P(3HB) 40/60 PPDO/P(3HB) 80/20 PPDO/P(3HB) 50/50 PPDO/P(3HB) 60/40
Wessler (2006) relata que as micrografias de superfície de fratura obtidas após os ensaios de tração do P(3HB) evidenciam a característica de fratura frágil da amostra de P(3HB), ou seja, fendas e trincas além das ondulações do material.
Através da Figura 5, concluiu-se que a amostra apresentou uma superfície de fratura alongada, sugerindo uma fratura altamente dúctil, o que evidencia uma plastificação do sistema, comprovando que a PPDO pode ser usada para melhorar as propriedades mecânicas do P(3HB), pois com apenas 40% de PPDO a amostra já apresentou este comportamento.
PPDO/P(3HB) 40/60
Figura 5 – Micrografia obtidas por MEV da superfície de fratura da blenda de PPDO/P(3HB) 40/60.
Uma análise mais minuciosa da blenda PPDO/P(3HB) 50/50, ilustrada na Figura 6, mostra um altíssimo grau de porosidade nesta amostra e o pequeno tamanho desses poros, em comparação com outras blendas e com os polímeros puros, apresentando excelente potencial para aplicação na área médica para suporte para crescimento celular, usualmente chamados de scaffolds. Algumas características fundamentais devem ser atendidas para que um substrato possa ser aplicado como suporte para crescimento celular: a porosidade, para permitir a invasão do tecido, pois o crescimento celular ocorre por ancoragem: a interconecção entre os poros e o tamanho destes em função do tamanho de células invasoras. Substratos macroporosos têm provado serem muito eficientes para a formação de tecido fibrocartilaginoso (de GROOT et al., 1997). Além disso, deve haver uma boa adesão entre o tecido e o substrato. Outras características importantes são a biocompatibilidade, a taxa de degradação, a resistência mecânica e o design apropriado (SOMMERLATH & GILLQUIST, 1992). A principal dificuldade encontrada quanto a um biomaterial é conciliar suas propriedades físicas, químicas e mecânicas para a funcionalidade do
implante com um nível aceitável de reação inflamatória, a qual geralmente é causada por moléculas solúveis ou íons liberados dos materiais utilizados como implantes.
Figura 6 – Micrografias obtidas por MEV da superfície da blenda de PPDO/P(3HB) 50/50.
Sabe-se da literatura que a PPDO é amplamente utilizada clinicamente em pacientes em uma série de aplicações, sendo considerada biocompatível. Estudos pré-clínicos, em animais, mostraram que a sutura flexível de PPDO apresenta um período de manutenção da força relativamente longo e previsível. As suturas de PPDO exibiram toxicidade mínima, não provocaram tumores, alergias ou pirogenias. Enfim, a performance da PPDO após a cirurgia foi considerada excelente, permitindo completa recuperação do ferimento (CHUSAK & DIBBELL, 1983).
Conclusões
Os resultados obtidos indicaram que a PPDO pode ser usada para melhorar as propriedades mecânicas do P(3HB), diminuindo a sua fragilidade e servindo como plastificante, possibilitando novas aplicações do polímero, como por exemplo, na área médica, devido ao material ter apresentado alta porosidade, propriedade fundamental para esta aplicação, surgindo o interesse de estudo para continuação deste trabalho.
A caracterização das blendas por DSC nos permite concluir que as composições 20/80 e
40/60 mantiveram valores constantes de Tm, o que indica serem imiscíveis, sendo confirmada pela
análise de MEV. As blendas 50/50 e 60/40 apresentaram decréscimo significativo da Tm da PPDO
de 106 °C para cerca de 90 °C, indicando uma possível miscibilidade parcial das blendas nestas composições.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Fundo de Apoio à Pesquisa FAP/UNIVILLE pelo auxílio financeiro.
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