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Síntese de hidrogéis de alginato reticulados com nanofibras de lactato de cálcio/poli(óxido de etileno) obtidas por eletrofiação

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS FÍSICAS E MATEMÁTICAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

SÍNTESE DE HIDROGÉIS DE ALGINATO RETICULADOS

COM NANOFIBRAS DE LACTATO DE CÁLCIO/POLI(ÓXIDO

DE ETILENO) OBTIDAS POR ELETROFIAÇÃO

Tamara Reis

Florianópolis

Novembro/2019

(2)

Tamara Reis

SÍNTESE DE HIDROGÉIS DE ALGINATO RETICULADOS COM

NANOFIBRAS DE LACTATO DE CÁLCIO/POLI(ÓXIDO DE ETILENO)

OBTIDAS POR ELETROFIAÇÃO

Relatório apresentado ao Departamento de Química

da Universidade Federal de Santa Catarina,

como requisito parcial da disciplina de

Estágio II (QMC5512)

Orientador: Prof. Dr. Edson Minatti

Florianópolis

Novembro/2019

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AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Sueli e Ubiratam, por me guiarem pelo caminho da responsabilidade e do respeito. Agradeço por todos os ensinamentos e suporte prestados ao longo desses 22 anos, inclusive pela contribuição financeira na criação de Luke e Nick, nossas fontes felinas de pelos, felicidade e alergia. Vocês são minhas maiores inspirações.

Ao Mateus, meu amor, por ser protagonista nessa conquista junto a mim. Sou grata por todo carinho, parceria e incentivo que me dedicastes durante toda essa trajetória, bem como pelas sugestões e contribuições dirigidas a este trabalho. Teu auxílio e compreensão foram inestimáveis.

À Priscila, que sempre esteve presente. Por acreditar em mim e fazer parte de todas as fases dessa história. Muito obrigada!

À Tia Marga, a madrinha mais excelentíssima de todas. Obrigada por compartilhar comigo o gosto por suculentas e livros.

Ao professor Dr. Edson Minatti, por fazer parte do início e da conclusão deste curso, de Química Geral ao presente trabalho. Agradeço pela confiança e pela oportunidade.

A todos os colegas que me acolheram na universidade, em especial Gabriela, Luísa, Manuela, Maria Luíza e Suellen. Eu tenho enorme carinho e admiração por vocês.

Ao LCME e à Juliana Dreyer por tornarem as microscopias possíveis.

À Universidade Federal de Santa Catarina e ao Departamento de Química pelo apoio institucional.

A todos os professores, técnicos e servidores por contribuírem nesta etapa de formação pessoal e profissional.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 11

2. REVISÃO LITERÁRIA ... 13

2.1 Nanofibras Poliméricas ... 13

2.1.1 Electrospinning ... 13

2.2 Poli(óxido de etileno) (PEO) ... 19

2.3 Hidrogéis ... 20

2.4 Biomateriais, Biocompatibilidade e Biodegradabilidade ... 21

2.5 Alginato de Sódio ... 22

2.6 Lactato de Cálcio ... 23

2.7 Esferificação: Um Mecanismo de Gelificação ... 24

3. OBJETIVOS ... 26 3.1 Objetivo Geral ... 26 3.2 Objetivos Específicos ... 26 4. METODOLOGIA ... 28 4.1 Materiais ... 28 4.1.1 Reagentes ... 28 4.2 Procedimento Experimental ... 28

4.2.1 Obtenção de Fibras de Lactato de Cálcio/PEO e Otimização dos Parâmetros de Eletrofiação ... 28

4.2.2 Síntese de Hidrogéis de Alginato Reticulados com Nanofibras de Lactato de Cálcio/PEO ... 30

4.3 Caracterização ... 31

4.3.1 Caracterização das Fibras ... 31

4.3.2 Caracterização dos Hidrogéis ... 31

4.4 Cinética de Liberação de Alaranjado de Metila ... 33

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4.4.2 Incorporação do Alaranjado de Metila por Imersão ... 34

4.5 Disponibilidade de Infraestrutura para o Desenvolvimento do Trabalho . 34 4.6 Segurança no Laboratório e Gerenciamento de Resíduos ... 35

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 36

5.1 Fibras de Lactato de Cálcio/PEO ... 36

5.2 Hidrogéis de Alginato Reticulados com Nanofibras de Lactato de Cálcio/PEO ... 39

5.3 Cinéticas de Liberação de Alaranjado de Metila ... 49

5.3.1 Incorporação do Alaranjado de Metila na Solução de Alginato ... 49

5.3.2 Incorporação do Alaranjado de Metila por Imersão ... 50

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 53

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Representação esquemática do sistema de electrospinning (Adaptada de Ramalingam (2017)).2 ... 14 Figura 2. Representações de uma fibra obtida a partir de uma solução de alta viscosidade [A] e de baixa viscosidade [B]. (Figura adaptada).7 ... 16 Figura 3. Representação de uma gota sob ação da tensão superficial e da repulsão eletrostática durante um processo de electrospinning. (Fonte: NPTEL).10 ... 17 Figura 4. Representação estrutural do poli(óxido de etileno). ... 19 Figura 5. Representação estrutural do alginato (Figura adaptada de Moghaddam (2015)).23 ... 23 Figura 6. Representação estrutural do lactato de cálcio. ... 23 Figura 7. Representação esquemática do modelo de reticulação “egg-box”. ... 25 Figura 8. Modelo ilustrativo do hidrogel de alginato obtido por reticulação reversa a partir da eletrofiação de lactato de cálcio/poli(óxido de etileno). ... 26 Figura 9. Professional Electrospinner 2.0.S-500 (YFLOW) localizado no laboratório POLISSOL, UFSC. ... 29 Figura 10. Esquema de eletrofiação sobre fase líquida para a reticulação dos géis de alginato. ... 30 Figura 11. Liofilizador de bancada (Enterprise) disponibilizado pelo Laboratório de Catálise e Fenômenos Interfaciais (LACFI, 312), UFSC. ... 32 Figura 12. Hidrogel obtido a partir de solução de alginato de sódio 3% contendo alaranjado de metila. ... 33 Figura 13. Amostra de hidrogel C2 seco à temperatura ambiente (a) e após 40 minutos de intumescimento em solução de alaranjado de metila 0,55 mmol L-1 (b). 34 Figura 14. Imagens de MEV das fibras de lactato de cálcio/PEO obtidas nas concentrações: LAC0%/PEO4% (A1), LAC1%/PEO4% (A2), LAC3%/PEO4% (A3) e LAC5%/PEO4% (A4). (Magnificação 5000x)... 37 Figura 15. Gráficos de distribuição do diâmetro das fibras em função da concentração de lactato, onde: LAC0%/PEO4% (A1), LAC1%/PEO4% (A2), LAC3%/PEO4% (A3) e LAC5%/PEO4% (A4). ... 38 Figura 16. (a) Molde de alumínio utilizado para a produção dos géis e (b) Hidrogel obtido a partir de 1 mL de LAC3%/PEO4% e 5 mL de alginato 3%. ... 40

(7)

Figura 17. Imagens de MEV dos géis mantidos à temperatura ambiente contendo 0,5 (B1), 1,0 (B2) e 2,0 mL (B3) de solução eletrofiada de LAC3%/PEO4%, e de seus análogos liofilizados: B’1, B’2 e B’3. ... 42 Figura 18. Comportamento do grau de intumescimento dos géis em função do volume de solução eletrofiada. ... 43 Figura 19. Imagens de MEV dos géis obtidos a partir de soluções de LAC e ALG nas concentrações 1% (C1, C’1), 3% (C2, C’2) e 5% (C3, C’3). ... 46 Figura 20. Gráficos de distribuição do diâmetro máximo dos poros. ... 47 Figura 21. Comportamento do grau de intumescimento dos géis em função da concentração das soluções de alginato e lactato. ... 48 Figura 22. Conjunto de espectros de absorção sequenciais (a) e curva de absorbância em função do tempo (b) referentes a liberação do corante incorporado na solução de alginato 3%. ... 49 Figura 23. Conjunto de espectros de absorção sequenciais (a) e curva de absorbância em função do tempo (b) referentes a liberação do corante incorporado por imersão para o hidrogel C1 (1,0 mL de fibras de LAC1%/PEO4% : 5,0 mL de ALG1%). ... 50 Figura 24. Conjunto de espectros de absorção sequenciais (a) e curva de absorbância em função do tempo (b) referentes a liberação do corante incorporado por imersão para o hidrogel C2 (1,0 mL de fibras de LAC3%/PEO4% : 5,0 mL de ALG3%). ... 51 Figura 25. Conjunto de espectros de absorção sequenciais (a) e curva de absorbância em função do tempo (b) referentes a liberação do corante incorporado por imersão para o hidrogel C3 (1,0 mL de fibras de LAC5%/PEO4% : 5,0 mL de ALG5%). ... 51

(8)

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Composição das soluções de lactato de cálcio/PEO para o estudo da variação da concentração de lactato. ... 36 Tabela 2. Condições estabelecidas no processo de obtenção das mantas de fibras. ... 37 Tabela 3. Condições pré-definidas para a obtenção dos géis com volumes de fibras variados. ... 41 Tabela 4. Condições pré-definidas para a obtenção dos géis com diferentes concentrações de lactato de cálcio e alginato de sódio. ... 45

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LISTA DE ABREVIATURAS

ALG – Alginato de Sódio

IPN – Interpenetrating Polymer Network (ou rede polimérica interpenetrada) LAC – Lactato de Cálcio

MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura m/m – Massa/Massa

PEO – Poli(óxido de etileno) pH – Potencial Hidrogeniônico

pKa – Logaritmo da Constante de Dissociação UV-Vis – Ultravioleta-Visível

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RESUMO

Hidrogéis são redes poliméricas com alta densidade de reticulação e elevada capacidade de retenção de água, passíveis de serem sintetizados a partir de matéria prima de fontes renováveis, biodegradáveis e biocompatíveis. Nesse contexto, visando a obtenção de hidrogéis com potencial para encapsulação e liberação controlada de princípios ativos (fármacos, fertilizantes e cosméticos) foi proposta uma nova metodologia de síntese. A técnica explora a gelificação por reticulação reversa, envolvendo a eletrofiação de nanofibras de lactato de cálcio/poli(óxido de etileno) sobre fase líquida de alginato de sódio. Desse modo, foram sintetizados géis nas proporções de 0,5:5, 1:5 e 2:5 de volume de solução eletrofiada por volume de solução de alginato 3% a fim de se estabelecer as condições volumétricas ideais para a obtenção das amostras. Através de soluções de partida de diferentes concentrações de alginato e lactato (1, 3 e 5%) mantendo-se a proporção v/v, realizou-se ainda um estudo acerca das condições de reticulação e suas implicações nas propriedades dos hidrogéis. Quanto à caracterização, foram avaliadas a morfologia estrutural por microscopia eletrônica de varredura e a capacidade de absorção de água ou grau de intumescimento. Os testes de absorção de água indicaram que géis obtidos a partir de soluções 3% apresentaram, em relação aos demais, maior grau de intumescimento, com indícios de perda de massa estrutural somente após 72 horas de imersão em água destilada. Para verificar a atividade de liberação controlada foram realizados ensaios de encapsulação com alaranjado de metila. A encapsulação de maior eficiência foi obtida por imersão dos hidrogéis em solução tamponada (pH 7,2) contendo o corante. Os ensaios de liberação apresentaram resultados promissores para os hidrogéis com maior grau de reticulação (3 e 5%), enaltecendo seu potencial para o estudo e desenvolvimento de sistemas biocompatíveis de liberação controlada.

Palavras-chave: hidrogel, eletrofiação, alginato de sódio, lactato de cálcio, encapsulação de corante.

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11 1. INTRODUÇÃO

Sistemas de encapsulação e liberação controlada têm sido amplamente explorados nos mais diversos setores industriais. Da biomedicina à agricultura, matrizes poliméricas responsáveis pela encapsulação e liberação de princípios ativos são empregadas e comercializadas em larga escala.

Hidrogéis e nanofibras são exemplos de matrizes que têm sido extensivamente estudadas para atuarem como veículos de carreamento e liberação de princípios ativos. Embora muito tenha sido desenvolvido em ambas as vertentes ao longo dos anos, existem poucos trabalhos na literatura a respeito de compósitos que conciliam ambas as estruturas em um único produto final.

As características de um material com essa composição podem vir a ser extremamente versáteis. Tendo-se em vista a elevada área superficial das nanofibras e as estruturas de redes fortemente reticuladas dos hidrogéis, a encapsulação de princípios pode vir a ocorrer em uma ou em ambas as partes. Quanto à composição, são ainda extremamente flexíveis, apresentando uma ampla base de dados na literatura acerca de parâmetros de eletrofiação para diferentes polímeros como forma de obtenção de nanofibras, bem como uma variedade de técnicas de síntese de hidrogéis conforme o tipo de reticulação pretendido. Dessa forma, torna-se o principal desafio propor uma metodologia que consiga conciliar a técnica de obtenção de fibras ao mecanismo de síntese do hidrogel.

A técnica de esferificação reversa é um mecanismo de gelificação que permite adaptações e pode vir a ser utilizada para esse propósito. Empregada na gastronomia molecular para a obtenção de cápsulas de sabor, o método original consiste no gotejamento de uma solução de sal de cálcio sobre uma solução de alginato. A substituição do mecanismo de gotejamento pela eletrofiação de uma solução polimérica contendo lactato de cálcio constitui uma proposta de adaptação da técnica resultando, ao fim do processo, em um hidrogel de alginato contendo nanofibras dispersas e reticuladas ao longo de sua estrutura. Onde, para além do fornecimento de íons cálcio, necessários para promover a reticulação do gel, o lactato atua conferindo menor amargor ao produto em relação aos demais sais de cálcio, tornando-o mais palatável para posterior aplicação em indústria farmacêutica ou alimentícia. De forma complementar, a presença do poli(óxido de etileno) conduz

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12 à solução os parâmetros de viscosidade e tensão superficial necessários para a obtenção das fibras.

Nesse contexto, propõe-se o desenvolvimento e otimização de uma técnica de gelificação com fibras de lactato de cálcio e poli(óxido de etileno) (PEO) fabricadas por electrospinning e coletadas sobre banho de alginato. A partir da síntese e caracterização desse compósito, pretende-se avaliar suas propriedades quanto às atividades de incorporação e liberação de substâncias. Para isso, testes serão realizados em pH tamponado com alaranjado de metila como substância modelo a fim de acompanhar-se a cinética de liberação por espectrofotometria de absorção na região do ultravioleta-visível. Serão avaliadas ainda a influência da concentração de lactato de cálcio e alginato de sódio na capacidade de absorção de água e na porosidade da estrutura, bem como a influência do volume de solução eletrofiada sobre o banho de alginato.

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13 2. REVISÃO LITERÁRIA

2.1 Nanofibras Poliméricas

Inseridas no cenário da nanotecnologia, as nanofibras emergem como estruturas fibrosas com diâmetro em escala nanométrica. Como consequência, apresentam elevada área superficial por volume, aspecto que potencializa a capacidade de carreamento de princípios ativos e o contato prolongado entre células afetadas e agentes terapêuticos.1

A seleção dos componentes a partir do qual serão obtidas as fibras é essencial para que as propriedades desejadas sejam atingidas e seu potencial seja designado. A elaboração de sistemas de liberação controlada, suportes para desenvolvimento e cultura celular, tecidos artificiais, curativos, biossensores, filtros e membranas semipermeáveis são algumas das finalidades que pertencem ao amplo espectro de aplicações.2

Dentre as técnicas de obtenção de fibras poliméricas, a eletrofiação destaca-se por uma série de vantagens, dentre as quais: o controle do diâmetro, a produção de fibras longas e contínuas, a aplicabilidade para diferentes sistemas polímero-solvente e a possibilidade de manipulação de uma série de parâmetros operacionais (além dos parâmetros de solução). Estas características conferem maior autonomia ao processo, permitindo um estudo em maior extensão e complexidade acerca de todas as propriedades que influenciam na obtenção do material, a fim de torná-lo o mais reprodutível possível para as condições de mercado.

2.1.1 Electrospinning

Electrospinning, ou eletrofiação, é uma técnica empregada na produção de

fibras poliméricas de escala nanométrica e micrométrica. As componentes principais de um equipamento de eletrofiação envolvem uma fonte de alta tensão, uma seringa que deve conter e injetar a solução polimérica a ser eletrofiada, uma agulha de pequeno diâmetro a partir da qual a solução é ejetada e uma superfície coletora sobre a qual ocorre a deposição das fibras (vide Figura 1).1

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14 Figura 1. Representação esquemática do sistema de electrospinning (Adaptada de

Ramalingam (2017)).2

O Princípio da Técnica

A técnica consiste na criação de um campo elétrico de alta tensão (5-60 kV) e baixa corrente (0,1-1 μA) entre a ponta da agulha do capilar e o coletor.3 A bomba de infusão injeta a solução polimérica sob uma determinada taxa de vazão volumétrica. Ao atingir a ponta da agulha, a solução tende a assumir um formato semiesférico por ação da tensão superficial do líquido. A aplicação de uma diferença de potencial no capilar através da fonte de alta tensão induz o acúmulo de cargas na superfície da gota formada. A repulsão elétrica entre estas cargas de mesmo sinal resulta no surgimento de uma força eletrostática que se opõe à tensão superficial, dando origem a forma cônica conhecida como cone de Taylor.1

No momento em que a força eletrostática excede a tensão superficial da gota ocorre a formação de um jato de solução a partir do cone de Taylor que é acelerado em direção ao coletor.4 A medida que o jato é ejetado e o solvente evaporado, ocorre o estreitamento do diâmetro do jato conduzindo à produção de fibras de diâmetro ultrafino depositadas aleatoriamente sobre o coletor.5

A morfologia dessas fibras é influenciada por uma série de variáveis que incluem as propriedades da solução polimérica, os parâmetros operacionais do equipamento e as condições do ambiente.

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15 Parâmetros da Solução

Os parâmetros de solução estão relacionados à composição e às propriedades físico-químicas da solução polimérica, bem como às interações entre o polímero e o solvente. As propriedades que exercem maior influência sobre a eletrofiação são: a tensão superficial, a viscosidade, a condutividade, a concentração, o peso molecular do polímero e a pressão de vapor (volatilidade) do solvente.3

Tensão Superficial (N m-1)

É a taxa de incremento, a pressão, composição e temperatura constante, da energia do sistema com o aumento da sua área interfacial. O fenômeno fundamenta-se nas forças de atração intermoleculares e no fato de que as moléculas prefundamenta-sentes na superfície de um líquido estão sujeitas a um desequilíbrio na distribuição das forças de coesão ao qual as moléculas do interior não estão submetidas e, consequentemente, têm uma energia maior associada. Esta é a razão pela tendência do fluido em contrair-se assumindo uma geometria esférica a fim de minimizar a energia livre de superfície (área superficial).6

No processo de eletrofiação a tensão superficial tem de ser superada pela ação das forças eletrostáticas impulsionadas pela aplicação de uma diferença de potencial. Em situações onde se tem uma elevada tensão superficial o processo é dificultado, afetando diretamente a estabilidade e a continuidade do jato eletrofiado o que conduz à formação de beads (ou glóbulos) ao longo das fibras (Figura 2).7 Uma redução na tensão superficial demanda a aplicação de uma menor diferença de potencial, o que facilita o processo de eletrofiação e a obtenção de fibras com superfície de maior homogeneidade.3

Viscosidade (Pa s)

A viscosidade é uma medida da resistência de um fluido ao escoamento. Durante a eletrofiação de uma solução polimérica, as interações entre polímero e solvente são o que determinam a resistência que será oferecida contra o alongamento do jato. Interações favoráveis contribuem para o aumento da viscosidade devido a um maior grau de emaranhamento entre essas moléculas. Sob

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16 uma viscosidade muito baixa pode ocorrer um favorecimento do processo de

electrospraying ou à formação de glóbulos ao longo da superfície (Figura 2). Por

outro lado, uma alta viscosidade pode dificultar o alongamento e a redução do diâmetro da fibra ocasionando a deposição de filmes poliméricos sobre o coletor. Outros parâmetros que afetam a viscosidade são a concentração e a massa molar do polímero em solução.7

Figura 2. Representações de uma fibra obtida a partir de uma solução de alta viscosidade [A] e de baixa viscosidade [B]. (Figura adaptada).7

Concentração da Solução (m/m) e Massa Molar do Polímero (kDa)

Tanto a concentração quanto a massa molar do polímero têm influência direta na viscosidade da solução. Valores elevados para esses parâmetros previnem o rompimento do jato de solução resultando em fibras com morfologia de maior regularidade. Todavia, isso acarreta em uma elevação da tensão superficial do fluido, o que exige a aplicação de uma maior diferença de potencial para que se dê início à formação e ao alongamento do cone de Taylor.8

Para a formação das fibras é necessário o emaranhamento das cadeias poliméricas, cuja intensidade depende do número de pontos de encontros de cadeias poliméricas distintas na solução. A baixa concentração do polímero ou baixa massa molar podem dificultar a formação de emaranhados, dificultando a formação do cone e favorecendo o gotejamento, resultando no processo de electrospraying.9

Pressão de Vapor do Solvente (kPa)

Para a obtenção de fibras de diâmetro reduzido é necessário que a evaporação do solvente ocorra antes da deposição das fibras sobre o coletor, cujo

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17 processo é favorecido para solventes que tenham uma alta pressão de vapor. A presença de solventes menos voláteis no fluido conduz à criação de zonas de concentração do solvente, propiciando a formação de poros na superfície.8

Condutividade (S cm-1)

Trata-se de uma medida da capacidade da solução em conduzir corrente elétrica, que depende de fatores como da força iônica da solução, da mobilidade iônica e da constante dielétrica do solvente. A condutividade exerce influência direta no processo de formação e alongamento do cone de Taylor bem como no estiramento do jato da solução polimérica, uma vez que a causa desses fatores está atrelada a repulsão eletrostática e ao deslocamento de cargas sobre a superfície do líquido (Figura 3). Naturalmente, soluções que apresentam maior condutividade apresentam uma resposta melhor ao campo elétrico desenvolvido no processo, sem que ocorra a necessidade de aplicação de uma alta diferença de potencial.7

Figura 3. Representação de uma gota sob ação da tensão superficial e da repulsão eletrostática durante um processo de electrospinning. (Fonte: NPTEL).10

Parâmetros Operacionais

São condições de processamento que apresentam determinada influência sobre as propriedades da fibra. Esses parâmetros podem ser mais facilmente controlados pelo operador e estão relacionados em boa parte ao equipamento, são eles: a tensão aplicada, o fluxo de injeção da solução, o diâmetro da agulha e a distância até a superfície coletora.

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Tensão (V)

A tensão elétrica é o parâmetro que dá início ao processo de estiramento do jato polimérico a partir do cone de Taylor. Normalmente sob a aplicação de uma alta voltagem ocorre a produção de fibras mais finas, em decorrência da geração de um campo elétrico de maior intensidade que proporciona um aumento nas forças de repulsão entre as cargas iguais presentes na superfície do fluido. Além disso, a presença do campo elétrico induz a uma maior organização das cadeias poliméricas ao longo da fibra.7

Fluxo da solução (mL h-1)

O fluxo (ou vazão) é o que determina a quantidade de solução polimérica disponível para a formação da fibra. Sob uma tensão fixa, um aumento do fluxo de solução em geral resulta em fibras de maior diâmetro ou com a presença de glóbulos grandes. Em síntese: se o fluxo for muito reduzido pode ser insuficiente para a geração do cone de Taylor, por outro lado, se for excessivo a solução polimérica pode acabar sendo depositada diretamente sobre o coletor sem que ocorra o alongamento do jato e a evaporação de solvente.7

Diâmetro da agulha (mm) e distância até o coletor (cm)

O diâmetro da agulha delimita o diâmetro da fibra polimérica. Em geral, diâmetros muito pequenos exigem a aplicação de uma maior diferença de potencial para que o processo de eletrofiação ocorra.7

Uma distância mínima entre a agulha e o coletor é necessária para que a evaporação do solvente ocorra antes da deposição das fibras sobre o coletor. Tal parâmetro varia conforme as características da solução descritas no tópico anterior. Uma proximidade grande entre ambas as componentes pode não ser suficiente para garantir o processo de alongamento do jato.3

Parâmetros do Ambiente

São condições que também interferem no processo de eletrofiação e na morfologia das fibras.

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Temperatura

As principais influências da temperatura estão na taxa de evaporação do solvente e na viscosidade da solução. Temperaturas elevadas favorecem a eliminação do solvente durante a eletrofiação e tendem a proporcionar uma redução na viscosidade devido ao enfraquecimento das interações intermoleculares entre as cadeias poliméricas e o solvente, afetando o diâmetro resultante e a uniformidade da estrutura fibrosa.3,7

Umidade relativa do ar

A umidade relativa do ar intervém na dimensão, densidade e profundidade de poros ao longo da superfície da fibra, podendo dificultar inclusive a evaporação do solvente durante a eletrofiação.7 Além disso, quando a atmosfera está muito úmida uma descarga arco-voltaica pode se formar no ar, neutralizando a diferença de potencial entre a agulha e o coletor.

2.2 Poli(óxido de etileno) (PEO)

O poli(óxido de etileno) ou PEO (Figura 4) é um polímero de origem sintética, atóxico, derivado do epóxi-etano (ou óxido de etileno). Apresenta solubilidade em água, bem como em solventes orgânicos polares, e destaca-se pelo caráter ligeiramente anfifílico, sendo bastante hidrossolúvel mas também capaz de formar monocamadas adsorvidas na interface ar-água.11

Figura 4. Representação estrutural do poli(óxido de etileno).

Por apresentar-se como um polímero biocompatível e de custo relativamente baixo, são numerosos os estudos envolvendo seu uso como matéria-prima no setor biomédico e de engenharia de materiais. Além disso, no que se refere à eletrofiação de nanofibras de PEO, existe uma série de metodologias de obtenção reportadas na

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20 literatura que permitem a seleção dos parâmetros ideais a serem tomados por base de acordo com as propriedades desejadas, auxiliando no estudo e desenvolvimento de novos materiais.11

2.3 Hidrogéis

Hidrogéis são redes poliméricas tridimensionais cuja estrutura altamente reticulada permite uma elevada capacidade de absorção de água. Suas características gerais podem ser facilmente adaptáveis em função da escolha de seus constituintes (polímeros) e de uma série de parâmetros que podem ser ajustados durante o processo de obtenção. A natureza e o grau de reticulação são propriedades que vão delinear determinadas características tais como o grau de intumescimento, a estabilidade química e a capacidade de adsorção e dessorção. A escolha da composição por sua vez, delimita os parâmetros de biodegradabilidade e biocompatibilidade. Os componentes podem ser de origem natural como proteínas (colágeno e gelatina) e polissacarídeos (amido, alginato e agarose), ou ainda de origem sintética via métodos convencionais de polimerização.12 Nesse contexto, a classificação de hidrogéis pode ser realizada sob diferentes aspectos, dentre eles: composição, morfologia e natureza do crosslinking ou reticulação.

De acordo com a composição, hidrogéis podem ser classificados em homopoliméricos (contendo apenas uma espécie monomérica) ou copoliméricos (possuidores de duas ou mais unidades, com pelo menos uma espécie de caráter hidrofílico).13

Quanto a morfologia, redes poliméricas interpenetradas por polímeros de cadeia linear, sem a presença de ligações químicas entre as duas componentes são denominadas redes semi-interpenetradas (semi-IPN). Por sua vez, em sistemas onde uma das redes foi sintetizada ou reticulada na presença da outra tem-se as chamas redes interpenetradas (IPN) ou redes duplas.13

Com relação à natureza da ligação envolvida no processo de reticulação, hidrogéis podem ser classificados em reversíveis ou irreversíveis. Normalmente, hidrogéis de rede dupla são quimicamente ligados, ou seja, as redes são formadas por ligações covalentes, de modo que uma vez rompidas o dano é irreversível, ocasionando a perda das propriedades mecânicas características da matriz. Todavia, existem hidrogéis reversíveis cuja estrutura emaranhada das cadeias

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21 poliméricas se mantém unida de forma complementar por meio de interações intermoleculares tais como interações hidrofóbicas, eletrostáticas ou ligações de hidrogênio.14

Decorrente à elevada capacidade de intumescimento, hidrogéis podem participar de processos de sorção, atuando na captura de substâncias para o interior da sua estrutura altamente reticulada. Processos como esse constituem o princípio de materiais adsorventes, que dentre as aplicações destacam-se a construção de matrizes para tratamento de água e efluentes a partir da adsorção de impurezas.15 Além disso, a sorção pode ser empregada como um mecanismo de incorporação de princípios ativos nestas matrizes poliméricas através da imersão do hidrogel seco em uma solução contendo o agente a ser sorvido.

No aspecto da elaboração de sistemas de incorporação e liberação de princípios ativos suas aplicações são diversas e abrangem toda a área de regeneração de tecidos naturais, criação de tecidos artificiais para implantes, além de curativos para tratamento e cicatrização de feridas, onde predominam a liberação de fármacos16 e a atividade antimicrobiana.17 Não obstante, suas características são atrativas também no setor da agricultura, onde a alta capacidade de absorção e retenção permite o cultivo durante as estações de seca atuando como uma reserva de água, sendo não somente uma alternativa economicamente viável, bem como uma técnica para um melhor aproveitamento dos recursos hídricos. Além de manutenção e suporte hídrico, estas matrizes quando incorporadas com pesticidas e fertilizantes tornam-se veículos de liberação controlada, permitindo um melhor gerenciamento de tempo e planejamento de cultivo.18

2.4 Biomateriais, Biocompatibilidade e Biodegradabilidade

A busca pelo desenvolvimento de novos sistemas de encapsulação e liberação controlada constitui um elevado percentual das pesquisas científicas relacionadas ao setor nanotecnológico. A aplicação desses sistemas na indústria alimentícia, cosmética e farmacêutica, naturalmente, exige que o material seja biocompatível e, por vezes, biodegradável. Com o intuito de tornar processo e produto ecologicamente sustentáveis, o uso de matérias-primas de fonte renovável têm ganhado cada vez mais espaço, principalmente na substituição de polímeros sintéticos por polissacarídeos de origem vegetal.

(22)

22 Para atender à demanda das aplicações de caráter biológico, esses sistemas devem, portanto, se enquadrar no perfil de um biomaterial, sendo capazes de interagir com o organismo hospedeiro sem o desencadeamento de reações adversas provocadas por rejeição pelo sistema imunológico. Para tanto, é imprescindível que o produto final se apresente na forma de um sistema biocompatível, isto é, capaz de desempenhar de modo satisfatório as funções para o qual foi designado, estimulando uma resposta apropriada, sem oferecer risco de lesão, toxicidade ou quaisquer efeitos nocivos ao organismo receptor.19

No caso de sistemas de transporte de princípios ativos, a biodegradabilidade pode vir a ser uma propriedade desejada. Dessa forma, após o cumprimento da função como veículo carreador, o material é capaz de ser degradado por atividade de origem enzimática e excretado pelo organismo.20

De modo geral, a obtenção de um material de cunho biodegradável e biocompatível fundamenta-se na escolha de ingredientes de caráter similar, e na habilidade de prever se os produtos gerados a partir da degradação são inócuos. No contexto de materiais poliméricos, para o cumprimento desses pré-requisitos destacam-se os biopolímeros, cuja origem é atrelada a fontes renováveis, tais como a celulose, o colágeno e o alginato.

2.5 Alginato de Sódio

O alginato é um polissacarídeo derivado do ácido algínico que constitui a parede celular de algas marinhas marrons do filo Phaeophyta. As bactérias dos gêneros Pseudomonas e Azotobacter também produzem alginato como forma de manutenção da parede celular, sendo capazes inclusive de produzi-lo em composição monomérica definida, por intermédio de modificação genética. Comercialmente, este polissacarídeo é encontrado na forma de alginato de sódio, um sal monovalente do ácido algínico.21

Sua estrutura de cadeia linear é constituída por monômeros de ácido α-L-gulurônico (G) e ácido β-D-manurônico (M). A polimerização ocorre através do estabelecimento de ligações glicosídicas entre os monômeros, cuja distribuição ao longo da cadeia pode ser alternada (G-M-G) ou em bloco (-M-M-M- ou -G-G-G-). Em pH acima de 3,5 a maior parte dos grupos ácido carboxílico encontram-se

(23)

23 desprotonados (pKaM = 3,38, pKaG = 3,65), sob a forma de íon carboxilato, o que confere um caráter aniônico ao polissacarídeo (Figura 5).22

Figura 5. Representação estrutural do alginato (Figura adaptada de Moghaddam (2015)).23

São muitas as suas aplicações na indústria de alimentos devido às suas propriedades como gelificante, espessante e estabilizante em meio aquoso. Além de biodegradável, estudos indicam que o alginato possui comportamento biocompatível e tem sido utilizado como material de partida para o desenvolvimento de tecidos sintéticos voltados à regeneração e substituição da cartilagem e de tecidos musculares, bem como em sistemas de encapsulação e liberação controlada de medicamentos.24

2.6 Lactato de Cálcio

O lactato de cálcio é um sal derivado do ácido láctico (pKa 3,78). Sua estrutura consiste em dois ânions lactato coordenados a um cátion bivalente de cálcio, conforme representada na Figura 6.

(24)

24 Para fins comerciais, a produção de lactato de cálcio é realizada a partir da neutralização do ácido láctico com carbonato ou hidróxido de cálcio. É amplamente utilizado como aditivo alimentar devido suas propriedades como agente espessante e estabilizante, e também devido à ausência de amargor, quando comparado aos demais sais de cálcio. Ademais, é recomendado como suplemento alimentar para a reposição de cálcio no organismo.25 Na presença de alginato (agente gelificante), tem como função o fornecimento de íons Ca2+ para promover a gelificação por reticulação.

2.7 Esferificação: Um Mecanismo de Gelificação

A esferificação é um processo de gelificação que faz uso de alginato de sódio como gelificante e um sal de cálcio como agente reticulante. Originada na gastronomia molecular, consiste em um método para a obtenção de “falso caviar” ou cápsulas de sabor gelatinosas preenchidas por líquido. Na prática, as esferas podem ser feitas pelos métodos direto ou reverso.

Na esferificação direta a solução aquosa contendo alginato de sódio e aroma é gotejada sobre uma solução aquosa contendo íons cálcio. Normalmente, por este método, tem-se a completa gelificação da esfera, uma vez que a difusão de íons cálcio para o interior é facilitada. De forma alternativa, na esferificação reversa tem-se o gotejamento da solução de cálcio contendo o aroma sobre uma solução de alginato. Assim, a difusão de macromoléculas (alginato) do exterior para o interior da cápsula é dificultada, de modo que o processo pode ser interrompido antes da gelificação total do produto. Este método permite ainda o uso de flavorizantes com alto teor de álcool ou acidez, uma vez que a alteração de pH não exerce influência significativa sobre os íons cálcio tal como ocorre com o alginato.26

O mecanismo de encapsulação baseia-se na interação entre íons Ca2+ e grupos carboxilatos dos monômeros G do alginato, provenientes do ácido α-L-gulurônico. Quando em contato com íons de caráter bivalente (preferencialmente Ca2+) os íons sódio presentes no alginato são espontaneamente substituídos, dando origem a uma interação energeticamente mais favorável, manifestada pela complexação entre dois grupos carboxilatos e um cátion bivalente formando pontos de reticulação. Instantaneamente, a solução (a princípio viscosa) assume então um aspecto gelatinoso. A origem do processo de gelificação está na reorganização das

(25)

25 cadeias de alginato em um modelo nomeado “egg-box” (Figura 7), cuja consequência é a formação de uma estrutura altamente reticulada, capaz de absorver grande quantidade de água sem ocasionar a perda das características do gel.22,24

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26 3. OBJETIVOS

3.1 Objetivo Geral

Obtenção de um hidrogel biocompatível e biodegradável, a partir de alginato de sódio reticulado com cálcio proveniente de nanofibras de lactato de cálcio e poli(óxido de etileno) dispersas ao longo de sua estrutura (Figura 8). Através da caracterização morfológica e do grau de intumescimento, pretende-se realizar o estabelecimento das condições ótimas de síntese e a avaliação quanto ao potencial para aplicação em sistemas de encapsulação e liberação controlada.

Figura 8. Modelo ilustrativo do hidrogel de alginato obtido por reticulação reversa a partir da eletrofiação de lactato de cálcio/poli(óxido de etileno).

3.2 Objetivos Específicos

 Obter nanofibras de lactato de cálcio/poli(óxido de etileno) por eletrofiação e realizar a caracterização da morfologia por microscopia eletrônica de varredura;

 Otimizar os parâmetros de eletrofiação para os diferentes sistemas lactato de cálcio/poli(óxido de etileno);

 Compreender o efeito da concentração de lactato de cálcio na morfologia das fibras;

 Sintetizar os hidrogéis de alginato por meio da técnica de reticulação reversa, a partir da eletrofiação de nanofibras de lactato de cálcio/poli(óxido de etileno) sobre solução aquosa de alginato de sódio;  Interpretar o efeito do volume de solução eletrofiada, bem como da

concentração das soluções de partida nas propriedades dos géis;

 Analisar a morfologia dos hidrogéis através de imagens de microscopia eletrônica de varredura;

(27)

27  Caracterizar os hidrogéis quanto à capacidade de absorção de água (grau

de intumescimento); e

 Testar a encapsulação e a liberação do corante alaranjado de metila como substância modelo.

(28)

28 4. METODOLOGIA

4.1 Materiais

4.1.1 Reagentes

Nos processos de eletrofiação foram utilizados poli(óxido de etileno), Mw ≃ 1000 kDa da Sigma Aldrich e lactato de cálcio da GastronomyLab ®. Como gelificante, foi utilizado alginato de sódio (GastronomyLab ®).

Nos testes envolvendo a incorporação e liberação de corante foi empregado alaranjado de metila da Sigma Aldrich.

4.2 Procedimento Experimental

4.2.1 Obtenção de Fibras de Lactato de Cálcio/PEO e Otimização dos Parâmetros de Eletrofiação

Soluções de Lactato de Cálcio e Poli(óxido de etileno)

Para a realização do estudo acerca da influência da concentração de lactato de cálcio no processo de eletrofiação e na morfologia das fibras foram preparadas quatro soluções aquosas de PEO 4% m/m com concentração de 0, 1, 3 e 5% m/m de lactato de cálcio. Os componentes (incluindo o solvente) foram pesados diretamente no béquer de preparo da solução, coberto logo em seguida com plástico filme e mantido sob agitação magnética por um período de 24 horas para garantir a solubilização.

Eletrofiação

Foram realizados uma série de testes para a identificação das condições ótimas de eletrofiação para o sistema proposto. Dentre as variáveis permitidas, foram avaliadas: a concentração de lactato de cálcio, o fluxo da solução, a tensão aplicada no injetor e a distância entre agulha e coletor. Para a acomodação da solução polimérica a ser eletrofiada foram utilizadas seringas de plástico B-D Plastipak com capacidade para 5 mL e 11,99 mm de diâmetro interno. A superfície coletora do equipamento foi recoberta com folha de alumínio para permitir a deposição das fibras (Figura 1). Ao todo foram coletados cerca de 1,0 mL de

(29)

29 material eletrofiado para cada sistema, totalizando um período de quatro horas de eletrofiação para cada amostra. O equipamento utilizado para a operação foi o

Professional Electrospinner 2.0.S-500 (YFLOW) (Figura 9).

Figura 9.Professional Electrospinner 2.0.S-500 (YFLOW) localizado no laboratório

POLISSOL, UFSC.

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30

4.2.2 Síntese de Hidrogéis de Alginato Reticulados com Nanofibras de Lactato de Cálcio/PEO

Preparo das Soluções de Gelificante (Alginato de Sódio)

Com o intuito de investigar a influência da concentração de alginato de sódio nos hidrogéis foram preparadas três soluções de alginato em água destilada nas concentrações de 1, 3 e 5% m/m. Diretamente em um béquer foram pesados o alginato e o solvente. A solução coberta por plástico filme foi mantida sob agitação magnética por um período de 24 horas.

Eletrofiação Sobre Fase Líquida

A síntese dos hidrogéis foi realizada conforme o princípio de reticulação reversa. As soluções de PEO 4% e lactato de cálcio 1, 3 e 5% m/m foram eletrofiadas, respectivamente, sobre soluções aquosas de alginato de sódio nas concentrações 1, 3 e 5% m/m, conforme esquema representado na Figura 10.

Figura 10. Esquema de eletrofiação sobre fase líquida para a reticulação dos géis de alginato.

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31 Foram avaliados os volumes ótimos de solução gelificante e de material eletrofiado a fim de se estabelecer as condições ideais para a obtenção dos géis. O método de disposição do alginato foi analisado sobre placas de microscópio, placas de Petri e formas de alumínio com 1,0 cm de altura e diâmetros de 4,5 e 6,5 cm. A eletrofiação da solução de lactato de cálcio/PEO foi realizada conforme os parâmetros definidos na etapa de otimização da obtenção de fibras. Os géis sintetizados foram armazenados por 24 horas antes de serem destacados de seus suportes para favorecer a reticulação por difusão dos íons cálcio das fibras para o alginato.

4.3 Caracterização

4.3.1 Caracterização das Fibras

Os aspectos morfológicos tais como o diâmetro das fibras e a presença de glóbulos, foram avaliados a partir de micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). As amostras foram previamente recobertas com ouro e as análises foram então conduzidas sob uma velocidade de varredura de 10 kV, com magnificação de 500x a 7000x.

A determinação do diâmetro médio foi realizada via rotina implementada no software ImageJ.

4.3.2 Caracterização dos Hidrogéis

A análise das características morfológicas e físicas dos hidrogéis foi conduzida em amostras secas à temperatura ambiente e em amostras liofilizadas. O processo de liofilização foi realizado em liofilizador de bancada com câmara de secagem por um período de 7 horas (Figura 11).

(32)

32 Figura 11. Liofilizador de bancada (Enterprise) disponibilizado pelo Laboratório de

Catálise e Fenômenos Interfaciais (LACFI, 312), UFSC.

Fonte: Tamara Reis.

Caracterização Morfológica

A visualização da superfície e fratura dos géis foi realizada por microscopia eletrônica de varredura (MEV), sendo necessário o recobrimento prévio das amostras com ouro. A determinação do diâmetro dos poros através das micrografias foi realizada via software ImageJ.

Caracterização Física

A espessura foi determinada com o auxílio de um micrômetro (LEE TOOLS, 0-25 mm, com resolução de 0,01 mm).

Grau de Intumescimento

A capacidade de absorção de água foi determinada em função do grau de intumescimento. Amostras foram imersas em 10,0 mL de água destilada pH 5,0, a 24ºC. As medidas de massa foram realizadas em intervalos de tempo definidos, prosseguindo com a retirada do gel da solução e remoção do excesso de água em papel filtro. Após a pesagem, a amostra era retornada ao béquer de imersão. O procedimento foi executado em triplicata. As determinações foram também

(33)

33 realizadas em solução-tampão fosfato (pH 7,2) para fins comparativos. O grau de intumescimento foi obtido pela razão entre a massa do hidrogel intumescido e a massa do hidrogel seco.

4.4 Cinética de Liberação de Alaranjado de Metila

A incorporação de alaranjado de metila nos hidrogéis foi testada de duas formas: (a) a partir da síntese de um gel já contendo alaranjado de metila na solução de alginato de sódio e (b) por meio da imersão dos géis previamente obtidos em solução-tampão fosfato 1 mmol L-1 (pH 7,2) contendo o corante. As leituras de absorbância em função do tempo foram realizadas em espectrofotômetro UV-Vis Cary 60 (Agilent Technologies).

4.4.1 Incorporação do Alaranjado de Metila na Solução de Alginato

O hidrogel com alaranjado de metila incorporado na etapa de síntese (Figura 12) foi preparado a partir de 5 mL de uma solução aquosa de alginato 3% contendo 0,05 mmol de alaranjado de metila, sobre a qual foram eletrofiados 1,0 mL de solução aquosa de LAC3%/PEO4%, conforme condições previamente otimizadas. Transcorridas 24 horas após a etapa de eletrofiação, com o gel seco, uma amostra de 1,0 cm² foi recortada e imersa em 60,0 mL de solução-tampão fosfato 1 mmol L-1 (pH 7,2).

Figura 12. Hidrogel obtido a partir de solução de alginato de sódio 3% contendo alaranjado de metila.

(34)

34

4.4.2 Incorporação do Alaranjado de Metila por Imersão

Para a imersão dos géis previamente obtidos, foram preparadas três soluções de alaranjado de metila, a partir da dissolução do corante em 10 mL de solução-tampão fosfato 1 mmol L-1 (pH 7,2). Foram selecionados para o teste os hidrogéis de concentração 1, 3 e 5% m/m, obtidos na proporção de 1 mL de solução eletrofiada de lactato de cálcio e poli(óxido de etileno) para 5 mL de alginato de sódio. A amostra de composição 1% m/m (C1) permaneceu imersa por 3 minutos, enquanto as amostras 3% m/m (C2) e 5% m/m (C3) permaneceram por 40 minutos, períodos estimados através do comportamento apresentado na cinética de absorção de água, com o propósito de garantir-se a máxima absorção minimizando perda de massa estrutural. Após o intumescimento, as amostras foram mantidas em estufa a 70 ºC por 4 horas, e só então submetidas ao ensaio de liberação em 20 mL de solução-tampão fosfato 1 mmol L-1 (pH 7,2). A Figura 13 representa o hidrogel C2 (3% m/m) seco à temperatura ambiente (a) antes da imersão na solução contendo o corante e (b) após 40 minutos de imersão e 4 horas de secagem em estufa à 70 ºC.

Figura 13. Amostra de hidrogel C2 seco à temperatura ambiente (a) e após 40 minutos de intumescimento em solução de alaranjado de metila 0,55 mmol L-1 (b).

O acompanhamento da cinética de liberação foi realizado através de leituras de absorbância em função do tempo, por intermédio de um espectrofotômetro de UV-Vis.

4.5 Disponibilidade de Infraestrutura para o Desenvolvimento do Trabalho

O preparo de todas soluções foi conduzido no laboratório 305 do Departamento de Química da UFSC, bem como as cinéticas de absorção de água.

(35)

35 Os géis e fibras foram produzidos no laboratório 205 (POLISSOL) do Departamento de Química da UFSC, através do Professional Electrospinner, modelo 2.0S-500, da marca Yflow Sistemas y Desarollos S.L. (Figura 9). Este equipamento possui: sistema de injeção com o uso de seringa, bomba automática com fluxo positivo para o controle da vazão da solução polimérica e câmera interna CCD (charge-coupled-device) permitindo a visualização em alta resolução da ponta da agulha. A tensão aplicada pode ser variada de 0 a 20 kV no injetor e de 0 a -20 kV no coletor, sendo o equipamento vedado para garantir a segurança do operador. As cinéticas de liberação de corante, foram realizadas neste mesmo local, com um espectrofotômetro Agilent Cary 60 UV-Vis.

A liofilização dos géis foi efetuada em equipamento disponibilizado pelo Laboratório de Catálise e Fenômenos Interfaciais (LACFI, 312) (Figura 11). As micrografias foram obtidas por análise de microscopia eletrônica, realizadas no Laboratório Central de Microscopia Eletrônica da UFSC (LCME).

4.6 Segurança no Laboratório e Gerenciamento de Resíduos

Todos os procedimentos foram executados utilizando-se equipamento de proteção individual (EPI) e vestimenta adequada. As metodologias de produção das nanofibras e dos hidrogéis empregadas neste projeto foram planejadas para o consumo mínimo de reagentes e para a utilização de apenas água como solvente. Além disso, todos os componentes majoritários (PEO, lactato de cálcio e alginato de sódio) são de origem biocompatível ou biodegradável. As seringas e ponteiras utilizadas no decorrer dos processos de eletrofiação foram higienizadas e encontram-se disponíveis para a reutilização.

Os resíduos provenientes da cinética de liberação do alaranjado de metila foram armazenados como resíduos aquosos em recipiente adequado, devidamente identificado. De forma análoga, luvas e papéis filtros descartados foram acondicionados como resíduos sólidos de maneira apropriada para permitir a coleta, transporte e tratamento, destinados a empresa responsável pelo gerenciamento de resíduos da UFSC.

(36)

36 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 Fibras de Lactato de Cálcio/PEO

O estudo da influência do lactato de cálcio na estrutura das fibras foi planejado e executado em quatro sistemas, descritos conforme consta na Tabela 1.

Tabela 1. Composição das soluções de lactato de cálcio/PEO para o estudo da variação da concentração de lactato.

Amostras Composição de Lactato Composição de PEO

A1 LAC 0% m/m PEO 4% m/m

A2 LAC 1% m/m PEO 4% m/m

A3 LAC 3% m/m PEO 4% m/m

A4 LAC 5% m/m PEO 4% m/m

Acerca da eletrofiação dessas soluções, optou-se por fixar uma distância de 15 cm entre agulha e coletor a fim de garantir-se uma distância segura para o alongamento do jato, visando além da obtenção de fibras com diâmetros reduzidos, uma maior área de deposição das fibras sobre o coletor.

Verificou-se que fluxos acima de 0,5 mL h-1 resultavam na obstrução da agulha, exigindo um aumento da tensão elétrica e com frequência, sendo necessária a interrupção do processo de eletrofiação para a limpeza da agulha como prevenção da queda de gotas. Sob um fluxo de 0,25 mL h-1 foi possível realizar a operação com maior fluidez, com raras interrupções, proporcionando a formação de fibras mais longas e contínuas.

Cada sistema estudado apresentou uma demanda distinta no que se refere a aplicação da voltagem no injetor. Os valores foram ajustados para cada caso visando manter constante o perfil de alongamento do cone de Taylor para todos os modelos, além de sustentar a operação com o mínimo de interrupções possíveis. Abaixo, na Tabela 2 constam as composições de cada sistema, bem como a tensão utilizada e as condições ambientais de temperatura e umidade relativa do ar durante a eletrofiação.

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37 Tabela 2. Condições estabelecidas no processo de obtenção das mantas de fibras.

Amostra Composição (m/m) Tensão (kV) Temperatura (ºC) Umidade Relativa do Ar A1 PEO 4% 7,0 – 10,0 29,61 58 % A2 LAC 1% / PEO 4% 12,0 29,61 58 % A3 LAC 3% / PEO 4% 13,0 28,45 54 % A4 LAC 5% / PEO 4% 13,0 – 14,0 29,76 61 %

A Figura 14 contém as imagens obtidas por MEV de amostras referentes aos quatro sistemas estudados.

Figura 14. Imagens de MEV das fibras de lactato de cálcio/PEO obtidas nas concentrações: LAC0%/PEO4% (A1), LAC1%/PEO4% (A2), LAC3%/PEO4% (A3) e

LAC5%/PEO4% (A4). (Magnificação 5000x).

As fibras de PEO 4% puro (A1) apresentaram uma estrutura uniforme, bem distribuída e sem a presença de glóbulos (vide Figura 14), com um diâmetro médio de 303 nm ± 55 nm (Figura 15).

Com a adição de uma quantidade mínima de lactato de cálcio (A2), além do surgimento de um maior número de fibras de diâmetro inferior a 100 nm (Figura 15), a estrutura assumiu um aspecto de "teia de aranha" caracterizada pela presença de pontos de conexão ou regiões de coalescência.

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38 Figura 15. Gráficos de distribuição do diâmetro das fibras em função da

concentração de lactato, onde: LAC0%/PEO4% (A1), LAC1%/PEO4% (A2), LAC3%/PEO4% (A3) e LAC5%/PEO4% (A4).

A coalescência é comumente observada em situações onde a deposição da fibra ocorre sem que a evaporação do solvente tenha ocorrido de forma satisfatória, como por exemplo, quando a distância agulha-coletor é muito pequena. Tendo em vista que as fibras de PEO 4% puro não apresentaram indícios, atribui-se à presença do lactato a natureza dos pontos de conexão reconhecidos nas demais estruturas.

O lactato de cálcio confere cargas elétricas às soluções na forma de íons cálcio (2+) e lactato. Essas soluções quando eletrofiadas, implicam na formação de fibras que não necessariamente apresentam uma distribuição homogênea de cargas ao longo de toda a sua superfície, ocasionando a formação de regiões polarizadas.27 Ocorre que o lactato atua na fibra como um agente plastificante que, organizado em toda a extensão da superfície, dificulta a evaporação do solvente durante o processo de alongamento do jato, de forma que a fibra é depositada ainda úmida sobre a superfície coletora.28 Dessa forma, duas regiões opostamente polarizadas se aproximam por atração eletrostática e coalescem devido à umidade presente nas estruturas, dando origem aos pontos de conexão, que por sua vez propiciam a formação de novas ramificações.

Ainda, o efeito plastificante torna-se pronunciado com o aumento da concentração de lactato de cálcio, promovendo assim a redução da viscosidade das

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39 soluções poliméricas, que por sua vez, ocasiona o aumento do diâmetro médio das fibras conforme indicam os gráficos da Figura 15.29

5.2 Hidrogéis de Alginato Reticulados com Nanofibras de Lactato de Cálcio/PEO

O planejamento da síntese dos géis de alginato e nanofibras de lactato de cálcio/PEO envolvendo eletrofiação foi realizado levando-se em consideração dois estudos principais: a verificação da influência (a) da proporção volumétrica de fibra de lactato de cálcio/PEO por volume de solução de alginato de sódio e (b) da concentração das soluções de alginato e lactato de cálcio (sob proporção volumétrica constante) nas características do produto final. Para isso foi necessária a designação de um suporte para dispor o banho de alginato.

A partir da eletrofiação de 1,0 mL de solução LAC3%/PEO4%, foram estudadas as formas de contenção da solução de alginato, sobre a qual seria realizada a reticulação reversa. Inicialmente, testes foram conduzidos com a deposição de 1,0 mL de alginato sobre placas de microscópio, onde verificou-se a formação de um fino filme branco sobre a placa, tornando implícita a necessidade de um volume maior de agente gelificante (alginato) em relação ao volume de polímero/agente reticulante eletrofiado.

Nesse contexto, foram depositados diretamente em placas de Petri (9 cm de diâmetro) 5 mL de solução de alginato para servir de suporte para a coleta de 1,0 mL de fibras. Entretanto, transcorridos um período de 24 h, observou-se que a placa possuía um recobrimento interno muito fino, de aspecto irregular, marcado por regiões de maior e menor concentração de gel. Tão logo, verificou-se a necessidade de reduzir o diâmetro da placa coletora para tornar a distribuição mais homogênea.

Assim, foram confeccionados moldes de diâmetro de 6,5 e 4,5 cm e 1,0 cm de altura, baseados no recorte da superfície e fundo de um copo plástico (Figura 16a). Formas foram obtidas moldando-se folhas de papel alumínio nessas superfícies. Com a adição de 5,0 mL de alginato 3% nas formas e eletrofiação de 1 mL de solução de LAC3%/PEO4% sobre o banho, foram obtidos filmes homogêneos e espessos, similares a uma película de gel (Figura 16b). Tendo em vista que, devido à distância de 15 cm entre agulha e coletor, as fibras acabam sendo distribuídas de modo aleatório sobre a superfície coletora, com alcance em um raio de cerca de 6

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40 cm, optou-se pelo uso de moldes de 6,5 cm de diâmetro a fim de aumentar a área de contato disponível para a deposição das fibras, sem que seja necessário o uso de um grande volume de solução gelificante, mantendo-se uma distância vertical propícia para o alongamento do jato.

Figura 16. (a) Molde de alumínio utilizado para a produção dos géis e (b) Hidrogel obtido a partir de 1 mL de LAC3%/PEO4% e 5 mL de alginato 3%.

Assim, com o posicionamento do banho de alginato verticalmente alinhado com o eixo da agulha, a eletrofiação foi conduzida conforme os parâmetros operacionais otimizados: sob fluxo de 0,25 mL h-1, distância de 15 cm entre agulha-coletor e tensão elétrica variável em função da concentração de lactato de cálcio (Tabela 2).

(a) Influência da Proporção Volumétrica Lactato de Cálcio/Alginato

A fim de se estabelecer a proporção ideal entre agente reticulante (lactato de cálcio) e agente gelificante (alginato), géis foram sintetizados a partir da eletrofiação de volumes variados de solução de LAC3%/PEO4% sobre um volume fixo de 5,0 mL de solução de alginato 3% (vide Tabela 3).

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41 Tabela 3. Condições pré-definidas para a obtenção dos géis com volumes de fibras variados.

Amostra Volume de Solução Eletrofiada

(mL) Volume de Alginato (mL) B1 0,5 5,0 B2 1,0 5,0 B3 2,0 5,0

Após armazenamento em dessecador por 48 horas, os géis apresentaram os seguintes valores de espessura: B1 = 0,04 mm, B2 = 0,17 mm e B3 = 0,15 mm.

Imagens das amostras secas à temperatura ambiente e liofilizadas foram obtidas por MEV, sob uma velocidade de varredura de 10 kV e magnificação de 500x (Figura 17). As imagens referentes às amostras B1, B2 e B3 correspondem aos géis mantidos à temperatura ambiente após o processo de reticulação, ao passo que suas análogas B’ correspondem às amostras submetidas ao processo de liofilização.

A presença de poros na superfície das amostras foi verificada com maior intensidade para um volume eletrofiado de 1,0 mL, entretanto não foi possível identificar a presença distinta de fibras na fração capturada. As imagens da região de fratura das amostras com 2,0 mL de material eletrofiado indicam a formação de uma camada espessa de fibras sobre uma região de aspecto vítreo com indícios da presença de poros e fibras em seu interior. A amostra contendo 0,5 mL, por sua vez, não apresentou em sua superfície fibras ou poros com dimensões mensuráveis no intervalo de magnificação explorado.

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42 Figura 17. Imagens de MEV dos géis mantidos à temperatura ambiente contendo

0,5 (B1), 1,0 (B2) e 2,0 mL (B3) de solução eletrofiada de LAC3%/PEO4%, e de seus análogos liofilizados: B’1, B’2 e B’3.

A partir dos ensaios de absorção de água realizados para cada amostra foi possível correlacionar o tempo e a capacidade máxima de absorção em função do volume de fibra eletrofiado (Figura 18). Verificou-se para todos os sistemas que, quando imersos em solução-tampão (pH 7,2) (vide curva verde, Figura 18 - B1), os géis apresentam uma capacidade máxima de intumescimento inferior à observada por imersão em água destilada, em virtude do meio tamponado apresentar maior força iônica. Hidrogéis mantidos à temperatura ambiente (B1, B2 e B3) e liofilizados (B’1, B’2 e B’3) apresentaram comportamento de grau de intumescimento semelhantes, conforme pode ser observado na Figura 18.

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43 Figura 18. Comportamento do grau de intumescimento dos géis em função do

volume de solução eletrofiada.

Os géis contendo 0,5 mL de fibras (B1 e B’1) tão logo atingiram o equilíbrio de intumescimento máximo, começaram a perder massa tornando-se completamente solúveis em um período de dez minutos de imersão em água destilada, sem agitação. Em comparação, para as amostras com 2,0 mL de fibras foi necessário um maior tempo de imersão (20 minutos) para que o grau de intumescimento máximo fosse atingido, da mesma forma que nos géis contendo 1,0 mL (22 horas). Nestes casos, a perda de massa após o equilíbrio ocorreu de forma mais lenta e menos

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44 significativa. Ambos não foram completamente solubilizados no meio de imersão em um período de cinco dias, indicando maior estabilidade estrutural e, portanto, maior grau de reticulação.

A hidrofilicidade do alginato concentra-se nos grupos carboxilato e hidroxila capazes de estabelecer ligações intermoleculares com as moléculas de água. Estes grupos carboxilato também são os responsáveis por se coordenarem aos íons Ca2+ promovendo a reticulação das cadeias. Uma vez que a disponibilidade de cálcio nesses sistemas seja aumentada, a tendência é o surgimento de um maior número de pontos de reticulação, tornando a estrutura mais rígida, com menor capacidade para a absorção de água e menor tendência à solubilização. Em 0,5 mL de fibras isto é evidenciado pela completa solubilização do gel em um curto período de tempo, cuja estrutura apresenta poucos pontos de reticulação e um grande número de grupos carboxilato livres para interagir com a água, de forma que a estrutura é facilmente rompida no processo de solvatação.30

O aumento da concentração de íons Ca2+ disponíveis para um volume eletrofiado de 1,0 mL prolonga o tempo necessário para que seja atingido o equilíbrio de intumescimento devido a formação de uma estrutura com mais pontos de reticulação e, portanto, maior rigidez. Entretanto, quando eletrofiados 2,0 mL, obtém-se uma estrutura mais compacta (de menor espessura em relação à B2) e de máxima rigidez. A rede possui tal grau de reticulação que o inchamento do gel se torna dificultado, conforme observado pela diminuição do grau de intumescimento da amostra B3 (5% m/m) comparada à B2 (3% m/m) (Gráficos B2 e B3, Figura 18). Assim, estabelece-se que quanto maior o grau de reticulação, menor o grau de intumescimento da amostra, porém maior a resistência do material à solubilização em meio aquoso.

(45)

45 (b) Influência da Concentração das Soluções de Alginato de Sódio e Lactato de Cálcio

Para a realização desse estudo optou-se por fixar a proporção de 1,0 mL de solução eletrofiada para 5,0 mL de banho de alginato em decorrência às suas características morfológicas observadas por microscopia e elevada capacidade de intumescimento. Assim, foram sintetizados novos géis a partir de soluções de concentração variada (Tabela 4).

Tabela 4. Condições pré-definidas para a obtenção dos géis com diferentes concentrações de lactato de cálcio e alginato de sódio.

Amostra Composição da Fibra

(Concentração de Reticulante - m/m)

Concentração de Gelificante (m/m)

C1 LAC 1% / PEO 4% ALG 1 %

C2 LAC 3% / PEO 4% ALG 3%

C3 LAC 5% / PEO 4% ALG 5%

A espessura média observada após um período de armazenamento de 48 horas em dessecador foi, respectivamente: 0,04 mm para C1, 0,16 mm para C2 e 0,38 mm para C3.

Micrografias foram obtidas para os géis mantidos à temperatura ambiente (C1, C2 e C3) e seus análogos (C’1, C’2 e C’3) liofilizados (Figura 19). Nas imagens C1, C2 e C3 as amostras apresentam um aspecto vítreo, comumente observado em micrografias de filmes poliméricos, em decorrência da grande quantidade de solvente presente. As imagens C’1, C’2 e C’3 obtidas após a liofilização das amostras hidratadas são caracterizadas pela presença de poros devido à eliminação do solvente das estruturas durante o processo.

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46 Figura 19. Imagens de MEV dos géis obtidos a partir de soluções de LAC e ALG nas

concentrações 1% (C1, C’1), 3% (C2, C’2) e 5% (C3, C’3).

Verifica-se que com o aumento da concentração das soluções de alginato e lactato mantendo-se constante a proporção volumétrica entre eles, houve um aumento significativo na porosidade das estruturas acompanhado por uma redução do diâmetro dos poros como pode ser observado nos gráficos a seguir (Figura 20).

Referências

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