VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 30 de julho de 2009
Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
EFEITO DO HIDRÓFOBO E SURFATANTE NA OBTENÇÃO DE
NANOPARTÍCULAS DE POLI(ACETATO DE VINILA) VIA POLIMERIZAÇÃO EM
MINIEMULSÃO
1
Josias Bristot Moretto, 2Fernanda Regina Steinmacher, 3Pedro Henrique Hermes de Araujo, ³Claudia Sayer*
1
Bolsista de Iniciação Científica PIBIC/CNPq/UFSC, discente do curso de Engenharia Química ² Mestranda do curso de Engenharia Química da UFSC
³ Professor do curso de Engenharia Química da UFSC
*Universidade Federal de Santa Catarina, CTC - EQA. Caixa Postal 476 – Trindade, Florianópolis – SC. 88010-970 Email: csayer@enq.ufsc.br
RESUMO - Conhecendo-se as formulações tradicionais para obtenção de nanopartículas a partir de miniemulsões, este trabalho tem como objetivo adequar estas formulações para a aplicação na biomedicina. Polimerizações de acetato de vinila via miniemulsão visando a síntese de nanopartículas foram realizadas aplicando-se AIBN como iniciador, com diferentes tipos de hidrófobos (Miglyol 812 ou Hexadecano) atuando como co-estabilizadores e, lecitina e/ou Tween 80 como surfatantes. As reações foram realizadas a uma temperatura igual a 70°C, onde se obteve a cinética da reação por análise gravimétrica e, o tamanho das nanogotas e das nanopartículas do látex foi medido por espalhamento de luz dinâmico ao longo da reação. A partir dos resultados observou-se que usando AIBN como iniciador atingem-se conversões altas, em torno de 90%, e Miglyol 812 pode ser aplicado como um co-estabilizador alternativo nesta reação, obtendo-se nanocápsulas de poli(acetato de vinila) não iônicas encapsulando um agente hidrofóbico.
Palavras-Chave: nanopartículas, miniemulsão, poli(acetato de vinila).
INTRODUÇÃO
O controle da liberação de fármacos através da utilização de vetores capazes de permitirem a otimização da atividade terapêutica do fármaco tem sido uma área de intensa pesquisa na última década. Estudos demonstram que nanopartículas poliméricos podem ser utilizadas como carreadores de fármacos. O termo nanopartícula envolve tanto nanocápsulas como nanoesferas, que diferem entre si segundo
a composição e organização estrutural
(SCHAFFAZICK et al., 2003). Devido à morfologia diferenciada das nanocápsulas, estas partículas são potencialmente úteis para encapsulação e liberação controlada de medicamentos.
Entre as diversas técnicas para obtenção de produtos nanométricos, a polimerização via miniemulsão (TIARKS et al., 2001) é a que mais se destaca por apresentar vantagens como o não uso excessivo de surfatante, estabilidade coloidal suficiente e apresenta a possibilidade de se obter o produto final em apenas uma única etapa de
reação. Miniemulsões são classicamente
definidas como dispersões aquosas de gotículas
de óleo relativamente estáveis, dentro de uma faixa de tamanho de 50-500 nm, preparadas por um sistema contendo óleo, água, surfatante e co-estabilizador.
Sabendo-se que o agente hidrofóbico atua na prevenção da degradação difusional das nanogotas e o surfatante, contra a coalescência, o locus da polimerização se encontra dentro de cada gota. Dessa forma, formulações apropriadas
resultam em nanopartículas estáveis que
apresentam tamanhos médios próximos aos das nanogotas iniciais. Contudo, de acordo com Aizpurua et al. (2000), tradicionalmente são utilizados álcool cetílico e hexadecano como
co-estabilizadores em polimerizações em
miniemulsão de acetato de vinila. Sabendo-se que a utilização do hexadecano na produção de nanopartículas restringe as suas aplicações, o desafio deste trabalho foi adequar as formulações clássicas para atender os requisitos quando aplicadas na biomedicina, analisando os efeitos causados por diferentes surfatantes e
co-estabilizadores, ambos em diferentes
concentrações, sobre a identidade das
MATERIAIS E MÉTODOS
Material
O monômero utilizado foi o acetato de vinila (VAc). Como iniciador, foi utilizado o 2,2-azo-bis-isobutironitrila (AIBN 98%, Vetec Química). Os surfatantes utilizados foram o polioxietileno-20-sorbitan monooleato (Tween 80, Oxiteno) e a lecitina (Alfa Aesar), e como co-estabilizadores foram utilizados o Miglyol 812N (Sasol) e o Hexadecano (VETEC). Para parar a reação foi utilizado o inibidor hidroquinona (Nuclear).
Todos os reagentes foram utilizados como fornecidos. A água utilizada como meio contínuo foi destilada.
Análises
Conversão gravimétrica: A conversão
gravimétrica é obtida a partir da razão entre a massa de polímero formado e a massa de monômero alimentada. A massa de polímero é calculada a partir do resíduo seco obtido pela evaporação de uma amostra de látex em uma estufa com aquecimento e circulação forçada. Para tanto, uma alíquota de amostra é retirada periodicamente e a reação é interrompida instantaneamente com a adição de uma solução contendo 1% de hidroquinona. Para calcular a massa de polímero é necessário subtrair a massa de hidroquinona e a fração de não-voláteis não poliméricos (emulsificante, co-estabilizador e iniciador) presentes no resíduo seco.
Tamanho de partícula: A medida do tamanho de partícula foi realizada a partir de dispersão de luz dinâmica (DSL – Malvern Instruments, Zeta Sizer Nano S)
Para tanto, 1 mL das amostras foram diluídas em 5 mL de água saturada com o monômero acetato de vinila.
Procedimentos Experimentais
O preparo das miniemulsões foi realizado em um reator encamisado de vidro. A primeira etapa consistiu em agitação magnética da fase aquosa, formada por água e Tween 80, quando utilizado, por 20 minutos, e da fase orgânica, que consiste no monômero, co-estabilizador, iniciador e lecitina, por 50 minutos. A fase aquosa foi adicionada na fase orgânica, primeiramente sob agitação magnética por 20 minutos, seguida de uma dispersão por ultrassom acoplado de uma ponteira (Fisher Scientific, Sonic Dismembrator Model 500, 400 W) por 4 minutos na amplitude de 60%. Durante a sonificação, um banho criostático a 10°C circulava água na camisa do reator,
evitando assim o aumento da temperatura, o que poderia iniciar a reação precocemente.
As reações foram realizadas em ampolas, que foram colocadas em um banho a temperatura de 70°C por 6 horas.
Estabilidade das Nanogotas
A estabilidade das nanogotas foi analisada em miniemulsões não polimerizadas, a partir de medidas de tamanho das nanogotas durante 6h, em temperatura ambiente e também a 70°C. Para tanto, uma alíquota de amostra foi diluída em água saturada com monômero e realizada DSL.
Desta forma, pode-se verificar se o sistema formado por lecitina e Tween 80
proporciona estabilidade das nanogotas e
determinar o melhor procedimento de adição do Tween 80 na miniemulsão.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Efeito do Tipo de Surfatante
A Tabela 1 apresenta as formulações referentes aos testes para verificar o efeito do tipo de surfatante.
Tabela 1 – Formulações das reações para síntese de nanocápsulas com diferentes tipos de surfatantes. Reagentes (g) Látex S1 S2 S3 Lecitina 0,145 0,092 0,097 Tween80 - 0,086 0,084 AIBN 0,351 0,353 0,353 Miglyol 812 3,027 3,038 3,008 VAc 3,037 3,026 3,032 Água 24,119 24,264 24,507
Para o látex S1, foi utilizado apenas lecitina, enquanto que nos látices S2 e S3 foram aplicados o conjunto lecitina e Tween 80. As quantidades utilizadas em todas as reações obedeceram ao mesmo número de moles total.
Nas reações contendo Tween 80 em suas formulações, uma alíquota de água foi separada para solubilizar este. Sendo que os látices S2 e S3 foram obtidos através da adição de Tween 80 antes, e após a sonificação, respectivamente.
A Figura 1 apresenta a cinética das reações S1, S2 e S3. Observa-se que os três sistemas de surfatantes não apresentaram
diferenças marcantes na taxa de reação.
Contudo, os látices S1 e S2 apresentaram tamanho médio de partícula menor ao do látex S3, como apresenta a Figura 2, onde o surfatante
Tween 80 foi adicionado após a sonificação. Entretanto, o sistema S1, contendo apenas lecitina, apresentou coagulação de látex no decorrer do tempo de reação.
Figura 1 - Efeito do surfatante na cinética das reações. S1: Lecitina; S2: Lecitina e Tween 80 (antes da sonificação); S3: Lecitina e Tween 80 (após a sonificação)
Efeito da Quantidade e Tipo de Co-estabilizador
A quantidade de agente hidrofóbico tem influencia principal na morfologia da nanopartícula obtida. O termo nanopartícula engloba tanto nanocápsulas e nanoesferas, as quais se diferenciam entre si na quantidade de óleo na sua composição. Segundo Schaffazick et al. (2003), as nanocápsulas são constituídas por um invólucro polimérico disposto ao redor do núcleo oleoso, enquanto nanoesferas são matrizes poliméricas contendo domínios de óleo. Na Figura 3 podem-se observar as diferenças entre as duas configurações. Dessa forma, o co-estabilizador, além de prevenir a degradação difusional, também é responsável pela formação do núcleo em nanocápsulas.
Figura 2 – Efeito do sistema de surfatante no tamanho da partícula. S1: Lecitina; S2: Lecitina e Tween 80 (antes da sonificação); S3: Lecitina e Tween 80 (após a sonificação)
A Tabela 2 apresenta as formulações usadas para avaliar o efeito do tipo e quantidade de co-estabilizador. Todos os testes foram realizados com surfatantes lecitina, dissolvida na fase orgânica e Tween 80, dissolvido na fase aquosa e adicionado antes da sonificação.
Figura 3 - Representação esquemática de diferentes nanopartículas carreadoras de fármacos (SCHAFFAZICK et al., 2003).
As Figuras 4 e 5 apresentam os perfis de conversão ao longo do tempo e diâmetro médio das nanopartículas em função da conversão, respectivamente, para reações com Miglyol 812, contendo 0,07g de AIBN.
Tabela 2 - Formulações das reações com Miglyol 812 (E e C) e Hexadecano (H) para síntese de nanoesferas e de nanocápsulas com diferentes concentrações de iniciador.
Reagentes (g) Látex E1 E2 C1 C2 H1 H2 Miglyol 812 Hexadecano Hidrófobo 0,309 0,377 3,005 3,038 3,000 3,131 Lecitina 0,092 0,091 0,091 0,092 0,090 0,089 Tween 80 0,084 0,082 0,082 0,086 0,085 0,085 AIBN 0,071 0,350 0,074 0,353 0,074 0,351 VAc 5,708 5,723 3,005 3,026 3,042 3,090 Água 24,089 24,016 24,265 24,264 24,362 24,374
Figura 4 – Evolução da conversão ao longo do tempo das reações E1: (nanoesfera) 0,071g AIBN; C1: (nanocápsula) 0,074g AIBN
Figura 5 - Evolução do diâmetro ao longo da conversão das reações E1: (nanoesfera) 0,071g AIBN; C1: (nanocápsula) 0,074g AIBN
Já as Figuras 6 e 7, apresentam os
mesmos resultados respectivamente para
reações com Miglyol 812, contendo 0,35g de AIBN.
Comparando-se as curvas de conversão nos gráficos confeccionados para nanocápsulas e nanoesferas (Figuras 4 e 6), observa-se que as reações com maior quantidade de Miglyol 812 (nanocápsulas) são mais lentas, sendo que este efeito é mais acentuado nas reações realizadas com as concentrações mais baixas de iniciador, Figura 4.
Acredita-se que as diferenças entre as curvas de conversão podem ser devido à transferência de cadeia para o hidrófobo. Bathfield et al. (2005), investigaram o efeito da quantidade de hidrófobo a partir de medidas de peso molecular médio do polímero, onde os
autores observaram que o aumento da
quantidade de Miglyol 812 diminui o peso molecular médio. Tal fato pode indicar a existência de transferência de cadeia para o Miglyol 812.
Figura 6 - Evolução da conversão ao longo do tempo das reações E2: (nanoesfera) 0,350g AIBN; C2 (nanocápsula) 0,353g AIBN;
Figura 7 - Evolução do diâmetro ao longo da conversão das reações E2: (nanoesfera) 0,350g AIBN; C2 (nanocápsula) 0,353g AIBN;
Substituindo o Miglyol 812, látices C1 e C2, pelo agente hidrofóbico Hexadecano, látices H1 e H2, nenhuma alteração foi observada na estabilidade da miniemulsão e, os diâmetros obtidos inicialmente nas reações foram em torno de 228 nm, como apresentam as Figuras 8 e 9.
Figura 8 - Evolução do diâmetro ao longo da conversão das reações C1: (nanocápsula) 0,074g AIBN; H1: (nanocápsula) 0,074g AIBN
Figura 9 - Evolução do diâmetro ao longo da conversão das reações C2 (nanocápsula) 0,353g AIBN; H2 (nanocápsula) 0,351g AIBN;
Figura 10 - Evolução da conversão ao longo do tempo das reações C1: (nanocápsula) 0,074g AIBN; H1: (nanocápsula) 0,074g AIBN
Dessa forma, pode-se concluir que os
diferentes tipos de co-estabilizador não
interferiram no tamanho das partículas. Contudo, comparando-se os perfis de conversão ao longo do tempo, observa-se novamente uma queda na velocidade de reação quando aplicado Miglyol 812, Figuras 10 e 11.
A Figura 12 apresenta aprenta as
estruturas moleculares dos dois
co-estabilizadores. Sendo o hexadecano um alcano de cadeia saturada e, o Miglyol 812 um triacilglicerol, acredita-se que este último favorece as reações de transferência de cadeia.
Figura 11 - Evolução da conversão ao longo do tempo das reações C2 (nanocápsula) 0,353g AIBN; H2 (nanocápsula) 0,351g AIBN;
Bathfield et al. (2005) compararam cinéticas de reações de estireno e acetato de vinila com a mesma formulação e observaram que o VAc é mais sensível a transferência de cadeia para ácidos graxos.
Estabilidade das Miniemulsões
Observando-se as evoluções do tamanho de partícula durante as reações realizadas, pode-se perceber que em todos os casos o diâmetro das partículas sofre um aumento ao longo das 6 horas de reação.
Para verificar se este aumento pode ser
atribuído à falta de estabilidade das
miniemulsões, o diâmetro médio das gotas foi acompanhado durante o mesmo intervalo de tempo.
A Figura 13 apresenta os resultados
obtidos nos testes de estabilidade dos ensaios S1, S2, e S3, na temperatura ambiente, e com a adição do iniciador. Pode-se perceber que os diâmetros médios apresentados na figura acima são próximos aos tamanhos das gotas dos
látices, como mostrado na Figura 2 e
permaneceram constantes durante todo o período equivalente ao tempo de reação.
Figura 12 – Estrutura química dos co-estabilizadores (a) Miglyol 812, triacilgliceral formado a partir dos ácidos graxos: caprílico e capróico e (b) Hexadecano, alcano saturado de cadeia longa.
Figura 13 – Estabilidade dos látices S1: Lecitina; S2: Lecitina e Tween 80 (antes da sonificação); S3: Lecitina e Tween 80 (após a sonificação)
Sabendo-se que a estabilidade do sistema pode ser afetada pelo aumento de temperatura (BOHÓRQUEZ
et al., 2008)
, foram realizados testes de estabilidade também a 70°C, e sem a adição de AIBN. A Figura 14 mostra os resultados.Figura 14 - Estabilidade dos látex S1: Lecitina; S2: Lecitina e Tween 80 (antes da sonificação); a 70°C.
A estabilidade dos sistemas H1 e H2, contendo Hexadecano, também foi verificada a 70°C e sem a adição de iniciador. Os resultados são apresentados na Figura 15.
A partir dos testes de estabilidade
realizados, pode-se observar que os
procedimentos adotados no preparo das
miniemulsões fornecem sistemas estáveis,
inclusive sob alta temperatura. O aumento do tamanho das partículas durante as reações, pode ser atribuído ao fato de o PVAc ser um polímero com baixa temperatura de transição vítrea (FERGUSSON
et al., 2002)
, o que favorece a coalescência das partículas durante a reação.Figura 15 – Estabilidade dos Látices H1: Lecitina; H2: Lecitina e Tween 80 (antes da sonificação); a 70°C.
CONCLUSÕES
Foram realizadas diversas polimerizações em miniemulsão de acetato de vinila, onde nanocápsulas e nanoesferas não iônicas e estáveis foram obtidas. A partir dos resultados, pode-se observar que o tipo de surfatante não
interferiu na velocidade da reação de
polimerização, porém o sistema de surfatante formado por lecitina e Tween 80, adicionado antes do processo de sonificação, resulta em partículas com diâmetros menores e estáveis. Os testes de estabilidade comprovam que este sistema de surfatante é eficiente na prevenção de
coalescência da miniemulsão monomérica,
enquanto que o Miglyol 812 evita a degradação por difusão.
Observou-se que AIBN, como iniciador orgâno-solúvel, atinge conversões em torno de 90%, e que o Miglyol 812 influencia de forma acentuada a cinética da reação, possivelmente, devido a reações de transferência de cadeia para o triacilglicerol.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Macromolecular Chemistry and Physics, 2005; 206; 2284-2291.
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TIARKS, F.; LANDFESTER, K.; ANTONIETTI, M.; LANGMUIR; 2001; 17; 908-918.
AGRADECIMENTOS
Ao CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – pelo apoio financeiro. À UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina – ao Laboratório de Controle de Processos, pela disponibilidade dos recursos físicos do laboratório químico e pela oportunidade do desenvolvimento das atividades necessárias para a realização deste trabalho.
