UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA - CCET
INSTITUTO DE QUÍMICA
OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE MEMBRANAS DE
QUITOSANA RETICULADAS COM POTENCIAL PARA
ADSORÇÃO DE TETRACICLINA
PEDRO ÍTALO DA CRUZ
Natal - RN 2019
PEDRO ÍTALO DA CRUZ
OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE MEMBRANAS DE
QUITOSANA RETICULADAS COM POTENCIAL PARA
ADSORÇÃO DE TETRACICLINA
Relatório de estágio apresentado ao curso de Química bacharelado da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para obtenção do título de Bacharel em Química.
Orientador: Profa. Dra. Márcia Rodrigues Pereira
Co-orientador: Dra. Letícia Streck
Natal - RN 2019
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Setorial Prof. Francisco Gurgel De Azevedo – Instituto Química - IQ
Cruz, Pedro Italo da.
Obtenção e caracterização de membranas de quitosana
reticuladas com potencial para adsorção de tetraciclina / Pedro Italo da Cruz. - Natal: UFRN, 2019.
56f.: il.
Relatório de Estágio (Graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Centro de Ciências Exatas e da Terra - CCET, Instituto de Química. Curso de Química Bacharelado.
Orientador: Dra. Márcia Rodrigues Pereira. Coorientador: Dra. Letícia Streck.
1. Adsorção. 2. Polímero. 3. Tetraciclina. 4. Infravermelho. 5. Difração de raio-X. 6. Análise térmica. I. Pereira, Márcia Rodrigues. II. Streck, Letícia. III. Título.
RN/UF/BSQ CDU 54
Pedro Ítalo da Cruz
OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE MEMBRANAS DE QUITOSANA RETICULADAS COM POTENCIAL PARA ADSORÇÃO DE TETRACICLINA
Relatório de estágio apresentado ao curso de Química bacharelado da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para obtenção do título de Bacharel em Química.
Orientador: Profa. Dra. Márcia Rodrigues Pereira
Co-orientador: Dra. Letícia Streck
A minha avó Maria Mariano e a minha mãe Maria José, com amor e gratidão.
AGRADECIMENTOS
Quero agradecer primeiramente a Deus pelo dom da vida e por me proporcionar mais uma conquista.
A minha orientadora, profa. Dra. Márcia Rodrigues Pereira, pela orientação, apoio, paciência, ensinamentos e discussões, além da confiança que depositou em mim desde o início da iniciação cientifica. Agradeço por acreditar no meu trabalho e proporcionar a transformação do meu sonho em realidade.
Ao prof. Dr. José Luís Cardozo Fonseca pelos sábios ensinamentos, pelo apoio e pela confiança.
A minha co-orientadora, Dra. Letícia Streck, por toda orientação, contribuição, paciência e confiança e, também, por todo ensinamento e discussões durante toda a iniciação cientifica. Agradeço imensamente por acreditar no meu trabalho.
A todos os professores do instituto de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) pelos ensinamentos, pelo apoio e pela oportunidade de convivência durante todo o curso.
A todos os colegas do LAMECO (Laboratório de Membranas e Colóides). Especialmente a Ernani Dias, Felipe da Hora, Débora de Oliveira, Willian Barbosa e Amanda Azevedo. Agradeço muito por dividir comigo conhecimentos e por terem contribuído com o meu crescimento profissional durante todo período da iniciação cientifica.
Aos meus queridos amigos pela parceria, pelos conhecimentos compartilhados e por todos os momentos compartilhados, em especial, Talita Pereira, Lorena Cristina, Mariana Raquel, Thalita Medeiros, Maria Luísa, Juliana Costa e Jeferson.
Àqueles que torceram por esta conquista e que compartilharam das minhas angústias, ansiedade e expectativas, meus queridos amigos do Segue-me e do Jovens Sarados, em especial à Ariadnny Maria, Igor Costa, Laura Rafaela, Joaquim e Sabrina Araújo, muito obrigada pela amizade e carinho.
A minha família pelo apoio, minha avó (Maria Mariano) e minha mãe (Maria José), por todo apoio, amor, conselhos e carinho. Agradeço por valorizar, incentivar e acreditar nos meus “estudos”. Agradeço também em especial à Graça Mariano, Mariellen Mayce, Lenise Rocha, Patrícia Layne, Francisca Geane, Júlia Geyziane e Roberth Gabriel. Essa conquista pertence também a vocês.
A todos aqueles que colaboraram para a realização deste trabalho, meus mais sinceros agradecimentos.
Agradeço a UFRN, ao Instituto de Química e ao CNPq pelo suporte financeiro dado à pesquisa.
“Por vezes sentimos que aquilo que fazemos não é senão uma gota de água no mar. Mas o mar seria menor se lhe faltasse uma gota.” - Madre Teresa de Calcutá
RESUMO
A quitosana (CS), um biopolímero derivado da quitina que é um polímero amplamente distribuído na natureza presente no exoesqueleto de crustáceos, foi avaliada através da produção de membranas reticuladas e não reticuladas. A investigação da capacidade de adsorção das membranas de quitosana reticuladas com ácido sulfúrico e não reticuladas foi investigada utilizando o fármaco tetraciclina. Os estudos de adsorção foram conduzidos em temperatura de 37 °C e pH de 6,8. Para a preparação das membranas de quitosana foi desenvolvida uma metodologia experimental para melhorar o rendimento de obtenção das membranas de quitosana reticuladas e não reticuladas. O fármaco tetraciclina foi utilizado como modelo no estudo de adsorção que foram acompanhados por leitura no espectrofotômetro de UV-Vis em 358 nm. As membranas reticuladas e não reticuladas foram caracterizadas por infravermelho, difração de raio-X e análise térmica (DSC). Também foram realizadas medidas de índice de intumescimento e do percentual de cristalinidade das membranas CS a fim de avaliar a influência da adição de ácido sulfúrico. As análises de DSC e DRX mostraram que a tetraciclina foi parcialmente adsorvida pela membrana após 74 horas, reduzindo sua concentração na solução em até 5 vezes da concentração inicial na membrana CS pura. A sorção de água, avaliada pelo índice de intumescimento em pH 6,8, mostrou que as membranas reticuladas com ácido sulfúrico não interferiram na capacidade de sorção de água quando comparado com a membrana CS pura. Os estudos de adsorção permitiram concluir que a membrana CS pura apresentou uma maior capacidade em adsorver a tetraciclina. Através das análises comparativas entre os espectros de infravermelho foi possível confirmar a incorporação da tetraciclina, além de avaliar a influência do processo de reticulação. Palavras-chave: Adsorção, polímero, tetraciclina, infravermelho, difração de raio-X, análise térmica, UV-Vis.
ABSTRACT
Chitosan (CS), a chitin-derived biopolymer that is a widely distributed polymer in nature present in the crustacean exoskeleton, has been evaluated through the production of crosslinked and non-crosslinked membranes. Investigation of the adsorption capacity of sulfuric acid cross-linked and non-crosslinked chitosan membranes was investigated using the drug tetracycline. Adsorption studies were conducted at temperature of the 37 ° C and pH of the 6.8. For the preparation of chitosan membranes an experimental methodology was developed to improve the yield a is obtaining of crosslinked and non-crosslinked chitosan membranes. The drug tetracycline was used as a model in the adsorption study which was followed by reading on the UV-Vis spectrophotometer in 358 nm. The crosslinked and non-crosslinked membranes were characterized by infrared, X-ray diffraction and thermal analysis (DSC). Swelling index and crystallinity percentage measurements of CS membranes were also performed to evaluate the influence of sulfuric acid addition. DSC and XRD analysis showed that tetracycline was partially adsorbed to the membrane after 74 hours, reducing its concentration in the solution by up to 5 times the initial concentration in the pure CS membrane. Water sorption, evaluated by swelling index at pH 6.8, showed that sulfuric acid crosslinked membranes did not interfere with water sorption capacity when compared to pure CS membrane. The adsorption studies concluded that the pure CS membrane presented a higher capacity to adsorb tetracycline. Through comparative analysis between infrared spectra it was possible to confirm the incorporation of tetracycline, besides evaluating the influence of the crosslinking process.
Keywords: Adsorption, polymer, tetracycline, infrared, X-ray diffraction, thermal analysis, UV-Vis.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Representação esquemática da estrutura química da quitosana. ... 19
Figura 2 – Representação esquemática da estrutura química da tetraciclina. ... 24
Figura 3 - Apresentação de uma curva de DSC. ... 28
Figura 4 - Espectro de FTIR da tetraciclina. ... 33
Figura 5 - Espectros de FTIR das membranas de quitosana. ... 34
Figura 6 - DRX das membranas de quitosana. ... 36
Figura 7 - DSC das membranas de quitosana. ... 38
Figura 8 - Índices de intumescimento em pH 6,8 das membranas CS. ... 39
Figura 9 - Curva de calibração da tetraciclina. ... 41
Figura 10 - Curvas de adsorção de tetraciclina nas membranas CS. ... 42
Figura 11 - Estrutura zwitteriônica da tetraciclina. ... 43
Figura 12 - Estrutura da quitosana protonada. ... 43
Figura 13 - Esquema apresentando um mecanismo de sorção de tetraciclina em membranas de quitosana. ... 44
Figura 14 - Esquema apresentando um mecanismo de interação entre as cadeias poliméricas da quitosana. ... 44
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Percentual de cristalinidade para as membranas CS. ... 37 Tabela 2 - Índice de intumescimento em pH 6,8. ... 40
LISTA DE SÍMBOLOS
CS Quitosana
CST Membrana de quitosana com tetraciclina CSR Membrana de quitosana reticulada
CSRT Membrana de quitosana reticulada com tetraciclina DD Grau de desacetilação
I Índice de intumescimento
t Tempo
mt Massa no tempo t
mo Massa da membrana seca
DSC Calorimetria exploratória diferencial TC Tetraciclina
XC Percentual de cristalinidade
Ac Soma das áreas das regiões cristalinas
At Soma das áreas das regiões cristalinas e amorfas
pH Potencial hidrogeniônico DRX Difração de raios-X UV-Vis Ultravioleta-visível A Absorbância b Caminho óptico c Concentração do analito
ε Coeficiente de absortividade molar IV Infravermelho
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 16 2. OBJETIVOS ... 18 2.1 OBJETIVO GERAL... 18 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 18 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19 3.1 QUITOSANA ... 19 3.2 MEMBRANAS DE QUITOSANA ... 213.3 RETICULAÇÃO E AGENTES RETICULANTES ... 22
3.4 TETRACICLINA... 24
3.5 PROCESSOS DE ADSORÇÃO ... 25
3.6 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO ... 26
3.6.1 Espectroscopia de ultravioleta-visível (UV-Vis)... 26
3.6.2 Espectroscopia de Infravermelho (IV) ... 26
3.6.3 Difração de Raio-X (DRX) ... 27
3.6.4 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)... 28
4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 30
4.1 MATERIAIS ... 30
4.2 PREPARAÇÃO DAS MEMBRANAS DE QUITOSANA PURAS E RETICULADAS ... 30
4.3 OBTENÇÃO DA CURVA DE CALIBRAÇÃO DA TETRACICLINA ... 31
4.4 ESTUDOS DE ADSORÇÃO DA TETRACICLINA NAS MEMBRANAS DE QUITOSANA NÃO RETICULADAS E RETICULADAS ... 31
4.5 DETERMINAÇÃO DO ÍNDICE DE INTUMESCIMENTO ... 31
4.6 CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DAS MEMBRANAS POLIMÉRICAS DE QUITOSANA ... 32
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 33
5.1 CARACTERIZAÇÃO DAS MEMBRANAS DE QUITOSANA ... 33
5.2 DETERMINAÇÃO ÍNDICE DE INTUMESCIMENTO ... 39
5.3 ESTUDOS DE ADSORÇÃO DE TETRACICLINA ... 40
6. CONCLUSÃO ... 47
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1. INTRODUÇÃO
A quitosana é um polissacarídeo obtido por meio da desacetilação da quitina em meio básico, sendo um dos biopolímeros mais utilizados e promissores que apresenta propriedades antimicrobianas excelentes contra diversos microrganismos (bactérias, leveduras e fungos). A partir da quitosana podemos obter filmes biodegradáveis que podem ser usados em inúmeras aplicações, como para produção de embalagens de biomateriais para alimentos (SABBAH et al., 2019) além de diferentes aplicações biomédicas (AHMAD et. al., 2017; PARSA; PAYDAYESH; DAVACHI, 2019).
Este polissacarídeo derivado da quitina, que é componente principal encontrado em cascas de crustáceos, apresenta como suas vantagens mais importante a sua biocompatibilidade e biodegradabilidade. A caracterização da quitosana é realizada através da presença de dois grupos funcionais presentes em sua estrutura, tanto os grupos hidroxila como os grupos amino, sendo que para realizar a caracterização deste polímero necessita que ele seja solúvel em meio levemente ácido e apresente um grau de desacetilação (DD) de no mínimo 50 % (BONILLA et al., 2019; BRITO et al., 2019).
As membranas são barreiras seletivas para determinadas espécies que consistem em uma camada fina permeável e semipermeável entre duas fases (líquida e gasosa). Desta forma, a produção de membranas poliméricas apresenta-se como uma alternativa de pesquisa muito promissora, sendo de baixo custo de energia e de fácil operação (SOONTARAPA; ARNUSAN, 2019; TABRIZ et al., 2019). Estas membranas são muito utilizadas para a remoção de poluentes, como corantes, fármacos e metais pesados de águas residuais (HU et al., 2018; NADOUR; BOUKRAA; BENABOURA, 2019; YU, Hang et al., 2019).
O processo de reticulação consiste na junção de cadeias poliméricas por meio de ligações covalentes ou iônicas. Este processo ocorre por meio de uma reação química ou pela existência de interações físicas entre dois polímeros diferentes ou entre o agente reticulador e o polímero (NETO et al., 2005). A reação de reticulação pode causar a diminuição do número de sítios ativos de adsorção, pois nessa reação
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temos os grupos funcionas presentes na cadeia polimérica da quitosana interagindo com o agente reticulante (ZHANG, Nana et al., 2011).
A tetraciclina, fármaco da classe dos antibióticos, apresenta baixa volatilidade e um caráter altamente hidrofílico, sendo bastante encontrada em águas residuais da pecuária (RYDZYŃSKI et al., 2019; WU et al., 2019). Esse fármaco de fórmula molecular C22H24N2O8 é constituído por grupos amina, dimetilamino e hidroxil fenólico
em sua estrutura química, sendo que esses grupos podem ser protonados e desprotonados através de reações químicas (PARSA; PAYDAYESH; DAVACHI, 2019; XIE et al., 2019; ZHANG, Xiaonuo et al., 2019; ZHAO, Yanping et al., 2013).
O grande uso desse antibiótico acarreta a poluição do ambiente de água e solo, por isso, foram desenvolvidas metodologias para remoção de tetraciclinas nesses ambientes. Os processos de adsorção são utilizados para remover a tetraciclina da água, como por exemplo a utilização de membranas que adsorvem o fármaco presente no meio aquoso (LU et al., 2017; ZHANG et al., 2019). Os processos de adsorção apresentam uma grande capacidade para realizar a purificação da água removendo vários tipos poluentes presentes em águas residuais. Esses processos são altamente utilizados, pois eles são de baixo custo, alta eficiência e fácil operação, além de ter um consumo moderado de energia (MOHAMMED et al., 2019).
Adsorção pode ser química (quimissorção) ou física (fisissorção), dependendo da interação entre a superfície e o adsorvato, sendo que na adsorção química temos a formação de ligações químicas entre o adsorvato e a superfície por meio de uma reação química e na adsorção física temos somente a formação de ligações físicas entre o adsorvente e o adsorvato, conhecida como forças Van der Waalls e interações eletrostáticas, consistindo assim em um processo de adsorção reversível (KECILI; HUSSAIN, 2018; RACKLEY, 2010).
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2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Este trabalho tem como objetivo preparar e caracterizar membranas de quitosana reticuladas e não reticuladas e avaliar seu potencial uso na adsorção de tetraciclina.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
(a) Desenvolver uma metodologia para o preparo das membranas de quitosana reticuladas e não reticuladas.
(b) Avaliar a influência da adição de ácido sulfúrico na adsorção do fármaco. (c) Avaliar a capacidade de adsorção do fármaco tetraciclina, a partir das medidas de UV-Vis, para as diferentes membranas utilizadas.
(d) Caracterizar as membranas de quitosana (reticuladas e não reticuladas) através das análises de espectroscopia de infravermelho (IV), análises térmicas (DSC), difração de Raio-X e determinação do índice de intumescimento (I).
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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 QUITOSANA
A quitosana (CS), derivado da quitina que está presente no exoesqueleto de crustáceos, apresenta a característica de ser altamente ativa pelo fato de ser constituída de grupos hidroxila e de aminas primárias e secundárias em sua estrutura (Figura 1), o que possibilita a interação com outros polímeros e moléculas biológicas (CHATTERJEE; GUHA; CHATTERJEE, 2019).
Figura 1 – Representação esquemática da estrutura química da quitosana.
A quitosana e a quitina são classificadas como polissacarídeos lineares e são constituídas de unidades de N-acetil-D-glicose e 2-amino-2-desoxi-D-glicose. A quitina apresenta menos unidades de 2-amino-2-desoxi-D-glicose, tornando assim esse polissacarídeo menos solúvel em meio ácido, diferentemente da quitosana que apresenta mais unidades de 2-amino-2-desoxi-D-glicose, o que a torna solúvel em meio aquoso ácido (pH < 7), através da protonação de grupos amino (LEBEDEVA et al., 2019; MITTAL et al., 2018).
O grau de desacetilação (DD) da quitosana é definido a partir da razão molar das unidades de N-acetil-2-amino-2-desoxi-D-glicose e 2-amino-2-desoxi-D-glicose que constituem a sua estrutura. Quando o DD é superior a 50% o polímero é considerado como sendo a quitosana e, abaixo de 50%, o biopolímero referido é a quitina (VILLAR-CHAVERO et al., 2019).
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A quitosana é biodegradável, biocompatível, hidrofílica e não é tóxica, além de apresentar propriedades antibacterianas, ser de baixo custo de obtenção, ter propriedades mucoadesivas e permite liberação controlada de fármacos (ALBADARIN et al., 2017; SHARIF et al., 2019; USMAN et al., 2019; ZHOU et al., 2014). Estas propriedades desejáveis encontradas na quitosana tem gerado muitas aplicações na área farmacêutica e médica (PANITH et al., 2016). Dentre as aplicações farmacêuticas, podemos destacar o seu uso para a produção de comprimidos, géis e cápsulas (REN, Guang et al., 2019).
A solução de quitosana com pH levemente ácido pode interferir nas propriedades morfológicas e reológicas e pode melhorar a solubilidade da CS, podendo em certas condições formar um hidrogel assumindo um comportamento viscoelástico (KIM et al., 2019). A partir do processamento da quitosana em diferentes condições é possível realizar estudos de adsorção com a quitosana na forma de pó, microesferas, flocos, hidrogéis, filmes e membranas (COLOBATIU et al., 2019; REN, Lili et al., 2019).
Os grupos hidroxila e amino presentes na estrutura da quitosana são utilizados como sítios de reação em estudos de adsorção tanto para poluentes como para analitos de interesse. O caráter catiônico apresentado por este polissacarídeo em meio ácido é proveniente da presença destes grupos funcionas na sua estrutura, possibilitando assim a ocorrência de interações eletrostáticas entre os sítios positivos da quitosana com outros analitos carregados negativamente. Algumas deficiências são encontradas na quitosana, como a baixa porosidade, a baixa área de superfície, a sensibilidade ao pH e a baixa estabilidade. Além de ser um mau condutor de eletricidade e muito frágil por causa da sua alta temperatura de transição vítrea (KAN et al., 2019; USMAN et al., 2019; ZHANG, Yuwei et al., 2009).
Desta forma, a modificação química da quitosana é uma área de pesquisa interessante devido seus derivados apresentarem uma melhor solubilidade, através da adição de grupos hidrofílicos na cadeia lateral da estrutura do polímero e, a introdução de cadeias hidrofóbicas na sua estrutura possibilita um maior controle na administração de fármacos quando comparado com a quitosana não modificada. Essa característica hidrofóbica apresentada pelo derivado da CS melhora o efeito antimicrobiano, consequentemente, favorece a interação entre as células bacterianas
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e as moléculas do polímero. Além de melhorar as suas características físico-químicas, o que permite o desenvolvimento de muitas aplicações (BRAZ et al., 2018; HARUTYUNYAN et al., 2019; JAISWAL et al., 2019).
3.2 MEMBRANAS DE QUITOSANA
Membranas são conhecidas por ser uma barreira de camada fina permeável ou semipermeável e seletiva entre duas fases, em que as fases presentes nos ambos lados da membrana podem assumir a forma gasosa ou líquida. O estudo de membranas tem sido um ramo de pesquisa promissor e de grande importância para o sustento do ciclo da vida, sendo que elas são muito utilizadas para a purificação de água (SOONTARAPA; ARNUSAN, 2019; TABRIZ et al., 2019).
As membranas são eficientes na remoção de corantes, fármacos, partículas, microorganismos e metais presentes nas águas, além de remover vapores de água presentes em correntes de gás (HU et al., 2018; LIANG; CHUNG, 2018; NADOUR; BOUKRAA; BENABOURA, 2019; PEÑA-GÓMEZ et al., 2018; YU, Hang et al., 2019). As membranas normalmente são barreiras seletivas que restringem a passagem de microorganismos, nutrientes, moléculas orgânicas, íons metálicos inorgânicos e entre outros poluentes (LIU, Di et al., 2019).
A tecnologia de membranas é um dos ramos mais promissores para o tratamento de águas residuais, devido apresentar inúmeras vantagens, como o baixo custo de energia, a fácil operação e a alta seletividade para realizar a separação, sem ter a necessidade de utilizar produtos químicos adicionais. Além de ser uma alternativa mais sustentável e amigável ao meio ambiente devido as suas diversas vantagens e por permitir o desenvolvimento de processos mais limpos e de baixo custo. Os processos baseados em membranas tem gerado muitas aplicações, sendo bastante aplicada na ultrafiltração, filtragem de partículas, osmose direta, osmose reversa e biorreator de membrana (DAMTIE et al., 2019; DAS et al., 2019; PAN et al., 2019; YOU et al., 2019).
A principal dificuldade dos processos de filtração baseados em membranas é a ocorrência de incrustação de membrana produzida ao longo do experimento, que é gerada através da formação da camada de gel, do bloqueio e restrição de poros,
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fazendo com que o custo de operação seja aumentado, o que necessita fazer a manutenção e a limpeza da membrana, além de necessitar de uma maior demanda de energia. Essa incrustação gera a diminuição da produtividade, da vida útil e da qualidade da permeabilidade (LEJARAZU-LARRAÑAGA et al., 2020; ZHAO, Qi et al., 2019).
Muitas estratégias foram aplicadas para superar essa dificuldade, como o aumento da velocidade do fluxo cruzado e a utilização de promotores de turbulência, porém ambas apresentam algumas limitações. O uso desses promotores não são eficientes quando usados em sistemas com biocombustível, sendo que o aumento da queda de pressão e da resistência especifica média à filtragem são gerados devido ao aumento da velocidade de fluxo (SOESANTO et al., 2019).
Os materiais propostos para serem matéria-prima para a produção de membranas devem apresentar algumas características, como natureza semipermeável, hidrofílica, assimétrica e, geralmente, biocompatível, além de realizar o melhoramento da química de superfície e o tamanho dos poros (STAMATIALIS et al., 2008). A quitosana é um dos materiais que apresentam a capacidade de formar membranas e filmes flexíveis, sendo que o solvente utilizado é evaporado da solução de quitosana em placas de Petri consistindo assim em uma metodologia de preparação direta que apresenta um alto rendimento (LIN; VENAULT; CHANG, 2019; MENEZES et al., 2020). Através dos processos de modificação química de membranas, como a reticulação química, temos o aumento da característica antiplastificante da membrana e a diminuição dos movimentos das cadeias do polímero devido as cadeias serem interligadas através de ligações químicas (NETO et al., 2005; XU et al., 2019).
3.3 RETICULAÇÃO E AGENTES RETICULANTES
Alguns métodos foram desenvolvidos para melhorar a resistência mecânica e a estabilidade química das membranas de quitosana, como o processo de reticulação que são processos que utilizam agentes reticulantes que modificam quimicamente a membrana devido a quitosana apresentar grupos reativos, como os grupos hidroxila e aminas (ZHANG, Xin et al., 2020). A reação de reticulação pode reduzir o número
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de sítios ativos no processo de adsorção, já que essa reação envolve os grupos funcionas presentes na cadeia polimérica da quitosana (ZHANG, Nana et al., 2011).
A reticulação consiste em um processo em que as cadeias poliméricas são ligadas através de ligações covalentes ou iônicas, sendo que ela pode ocorrer através de uma reação química ou por meio de interações físicas entre dois polímeros diferentes ou entre o agente reticulador e o polímero (NETO et al., 2005). A reticulação química e a reticulação térmica faz com que o movimento das cadeias poliméricas seja reduzido, consequentemente, temos o melhoramento da propriedade antiplastificação da membrana polimérica (XU et al., 2019). Além disto, a reação de reticulação pode reduzir o número de sítios ativos no processo de adsorção, já que essa reação envolve os grupos funcionas presentes na cadeia polimérica da quitosana (ZHANG, Nana et al., 2011).
A reticulação iônica ocorre através de ligações iônicas usando agentes como o ácido sulfúrico ou o tripolifosfato, podendo ser pela via homogênea ou heterogênea. Na reticulação iônica utilizando ácido sulfúrico utilizando a via heterogênea, temos a membrana sendo imersa em uma solução de ácido sulfúrico durante um certo tempo e, após esse tempo, retira-se a membrana do contato com a solução do ácido e a coloca para secar. Diferentemente da rota heterogênea, no processo de reticulação pela via homogênea temos o ácido sulfúrico sendo adicionado na solução de quitosana e, em seguida, coloca a mistura obtida em placas de Petri para secagem. As membranas obtidas através da rota heterogênea apresentaram um maior grau de reticulação, uma menor capacidade de absorção de água em meio ácido e uma menor estabilidade térmica (MARQUES et al., 2016).
A natureza do agente reticulador interfere na reticulação da quitosana, sendo que a CS pode ser reticulada covalentemente ou ionicamente. Os produtos químicos utilizados na reticulação covalente são tóxicos, como o glutaraldeído e glioxal, sendo que essa reticulação ocorre por meio de ligações covalentes entre as cadeias poliméricas. Outras formas de reticular as cadeias poliméricas foram desenvolvidas, como a reticulação iônica, além de utilizar agentes de reticulação natural, como a genipina (GIERSZEWSKA; OSTROWSKA-CZUBENKO, 2016).
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3.4 TETRACICLINA
A tetraciclina (TC) é um fármaco do grupo dos antibióticos sendo constituída pelos grupos amida (CONH2), dimetilamino (N(CH3)2) e hidroxil fenólico em sua
estrutura (Figura 2), sendo assim considerada uma molécula anfifílica de estrutura tetracíclica que apresenta vários grupos funcionais ionizáveis. A TC de fórmula molecular C22H24N2O8 é solúvel em água, estável, biologicamente ativa e hidrofílica
(PARSA; PAYDAYESH; DAVACHI, 2019; XIE et al., 2019).
Figura 2 – Representação esquemática da estrutura química da tetraciclina.
Os grupos funcionais presentes na estrutura da tetraciclina podem sofrer reações de protonação e desprotonação. Na estrutura química da TC temos quatro anéis aromáticos ligados a vários grupos ricos em elétrons (ZHANG, Xiaonuo et al., 2019; ZHAO, Yanping et al., 2013).
A tetraciclina é um antibiótico de amplo espectro, utilizado para o tratamento de infecções por bactérias Gram positivas e Gram negativas além de fungos e alguns protozoários. Seu consumo frequente pode causar descoloração dos dentes, além de inibir o crescimento esquelético do feto e gera uma formação incompleta da matriz orgânica do esmalte dentário. Por sua vez gera inúmeros efeitos colaterais no sistema gastrointestinal, renal, nervoso, hepático e hematológico (ALOK; CHAUDHURY, 2016; FENG et al., 2016; GUNJAL et al., 2019).
A metabolização da tetraciclina é errática em animais e no ser, sendo que após a administração deste antibiótico tem-se o aumento da concentração de tetraciclinas no meio ambiente gerado pela alta afinidade da tetraciclina com a matéria orgânica
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presente no solo (WANG, Qiang et al., 2019; XIONG et al., 2018). As tetraciclinas são amplamente utilizadas como medicamentos veterinários devido apresentarem baixa toxicidade e serem de baixo custo. Muitos métodos foram desenvolvidos para realizar a remoção de tetraciclinas de águas residuais, como adsorção, degradação fotocatalítica, biodegradação anaeróbica e degradação por microondas (DANTAS et al., 2017; YUE; SHEN; GE, 2019).
3.5 PROCESSOS DE ADSORÇÃO
Na fronteira entre duas fases ocorrem vários processos químicos, físicos e biológicos, mas determinados processos só ocorrem na interface. A adsorção é um processo que consiste na variação da concentração de um analito na interface em relação as fases vizinhas. O sistema do processo de adsorção depende da natureza das fases de contato, podendo ser líquido, líquido-líquido, líquido-sólido e gás-sólido (DABROWSKI, 2001).
O termo adsorção refere-se a um processo em que temos o acúmulo de moléculas em uma camada interfacial, sendo que o processo inverso consiste na dessorção. No processo de adsorção temos duas espécies em estudo denominadas de adsorvente, que é o material que tem a capacidade em adsorver uma espécie química, e adsorvato, que é o material que apresenta a capacidade de se adsorver em uma determinada região interfacial de um adsorvente (DABROWSKI, 2001).
Adsorção pode ser classificada, dependendo da interação entre a superfície e as moléculas, como adsorção química (quimissorção) e adsorção física (fisissorção). Na adsorção química temos a formação de ligações químicas entre o adsorvato e a superfície através de uma reação química. Já na adsorção física ocorre as ligações fracas entre o adsorvente e o adsorvato por meio das forças Van der Waalls e interações eletrostáticas, em que consiste em um processo de adsorção reversível. A quimissorção é considerada mais lenta que a fisissorção e, geralmente, temos a formação de uma monocamada na adsorção química, sendo que na adsorção física podemos ter a formação de multicamadas na superfície do adsorvente (KECILI; HUSSAIN, 2018; RACKLEY, 2010).
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Os estudos de adsorção apresentam uma grande capacidade para realizar o tratamento de vários poluentes presentes em soluções aquosas, devido ser um processo de baixo custo, alta eficiência, fácil operação, por ter um consumo moderado de energia e entre outras vantagens (MOHAMMED et al., 2019). Esses estudos são altamente aplicados em tratamento de águas para remoção de poluentes, como fármacos, corantes, metais pesados e entre outros (BAIG; UDDIN; GONDAL, 2019; LUJÁN-FACUNDO et al., 2019; SETHY; PRADHAN; SAHOO, 2019).
3.6 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO
3.6.1 Espectroscopia de ultravioleta-visível (UV-Vis)
A espectroscopia estuda a interação entre a radiação eletromagnética e a matéria que resulta em absorções, emissões e dispersões da radiação incidente. Essa técnica espectroscópica é dividida em espectroscopia atômica e molecular. A espectroscopia de UV-Vis é um dos métodos espectroscópicos que detecta interações entre a matéria e a radiação na faixa de comprimento de onda do espectro entre 200 a 780 nm (POWER et al., 2019).
A radiação absorvida pelo analito gera a excitação dos elétrons presentes nas moléculas do analito, ou seja, ocorre uma transição eletrônica em que os elétrons passam para níveis de energia mais altos (CROWLEY, 2020). A lei de Lambert-Beer (Equação 1) expressa que a absorbância é proporcional a concentração do analito (SKOOG et al., 2006).
𝐴 = Ɛ𝑏𝑐 (Equação 1)
Nesta equação, temos que A é a absorbância, ε é o coeficiente de absortividade molar em L mol-1 cm-1, b é o caminho óptico em cm e c é a concentração do analito
em mol L-1.
3.6.2 Espectroscopia de Infravermelho (IV)
A espectroscopia de infravermelho é uma espectroscopia de absorção em que a radiação eletromagnética interage com a matéria gerando transições vibracionais,
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ou seja, a molécula absorve a energia suficiente para gerar a transição entre dois níveis vibracionais, sendo assim classificada como uma espectroscopia vibracional. A radiação na região do infravermelho absorvida por uma molécula gera durante o seu movimento vibracional ou rotacional uma variação no momento dipolo que, consequentemente, gera um campo que interage com o campo elétrico produzido pela radiação (HOLLER; SKOOG et al., 2009).
A espectroscopia IV é amplamente utilizada para determinação dos grupos funcionais presentes na molécula através das medidas de absorção, sendo muito usada para identificar qualitativamente as moléculas orgânica além de identificar espécies inorgânicas e biológicas. A identificação de uma espécie química por meio da espectroscopia de IV consiste em duas etapas, primeiro a identificação dos grupos funcionais presentes na molécula e depois comparar o espectro obtido com espectros de compostos puros. Neste caso, quando temos o espectro do composto desconhecido semelhante ao espectro de um composto puro (impressão digital do composto), logo, podemos concluir que temos dois compostos idênticos (HOLLER; SKOOG et al., 2009).
3.6.3 Difração de Raio-X (DRX)
O Wilhelm Röntgen em 1895 descobriu a natureza dos raios X e a técnica de difração de raio-X foi proposta pelo físico alemão Max von Laue em 1912. Através do experimento de von Laue, que consistiu em incidir um feixe de raios X em direção a um cristal de sulfato de cobre, foi possível provar que os raios X são ondas eletromagnéticas que apresentam comprimentos de ondas curtos em relação aos da luz visível por meio da análise do padrão de difração obtido. Além demostrar que os cristais são constituídos de um conjunto de átomos distribuídos no espaço ordenadamente com distâncias características. Com essas descobertas o Prêmio Nobel de Física foi concebido ao von Laue em 1914 (LAMAS et al., 2017).
A técnica de DRX é utilizada para determinar a estrutura cristalinas de vários tipos de materiais, a fim de compreender as suas propriedades, que consiste na capacidade dos cristais de difratar os raios X de forma característica permitindo a identificação da estrutura das fases cristalinas. A partir da posição do pico podemos
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investigar a composição química e o grupo espacial do cristal, além de realizar uma análise qualitativa de fase. Enquanto que através da intensidade do pico podemos investigar a estrutura do cristal, analisar a textura e a fase quantitativa, sendo que a partir da forma do pico podemos obter informações sobre as contribuições da amostra, como microesferas e tamanho cristalitos (EPP, 2016).
3.6.4 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
A calorimetria exploratória diferencial é uma técnica de análise que foi derivada da análise térmica diferencial (DTA), sendo subdividida em DSC de fluxo de calor e DSC de compensação de potência. Os dois tipos de equipamentos diferem em seus limites de temperatura, sendo essa variação de temperatura na faixa de -180 a 725 ºC. Na curva de DSC presente na Figura 3, que mostra ao fluxo de calor em função da temperatura, podemos observar a existência de dois picos originados devido as variações de entalpia (endotérmica e exotérmica) (CANEVAROLO Jr., 2004).
Figura 3 - Apresentação de uma curva de DSC. Adaptado por (CANELAVORO Jr., 2004). O pico endotérmico refere-se à ocorrência de eventos endotérmicos em amostras, como a reação de redução, fusão e dessorção. Por outro lado, os eventos
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exotérmicos geram a formação do pico exotérmico referente a cristalização, reações de polimerização, absorção, oxidação, degradação oxidativa e entre outros. Alguns fatores interferem nas curvas de DSC, sendo que esses fatores podem ser instrumentais ou devido a característica da amostra. Os fatores instrumentais, como a atmosfera do forno e a razão de aquecimento, são aqueles que não podem ser alterados pelo operador. Por outro lado, os fatores devido a característica da amostra, como a massa e a forma, podem ser facilmente alterados (CANEVAROLO Jr., 2004).
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4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 MATERIAIS
A quitosana foi adquirida da Polymar LTDA e apresenta um grau de desacetilação de 85%. O ácido acético glacial P.A. 99,7% utilizado foi obtido da Ultrapure Chemicals do Brasil LTDA, o hidróxido de sódio micropérola P.A. 98% adquirido da LABSYNTH Produtos para Laboratórios LTDA (Synth), o ácido sulfúrico P.A. 95-99% foi adquirido Sigma-Aldrich e a tetraciclina foi adquirida da A Fórmula. Todos os materiais foram utilizados assim como recebidos.
4.2 PREPARAÇÃO DAS MEMBRANAS DE QUITOSANA PURAS E RETICULADAS
A solução de quitosana 2% (m/v) foi obtida através da pesagem do polímero em pó que foi dissolvido em uma solução de ácido acético 2% (v/v) por 24 h, sob agitação mecânica utilizando um orbital shaker (modelo OS 10 basic) produzido pela IKA (Laboratory Equipment). Após as 24 h, a solução obtida foi filtrada para retirar todas as impurezas, usando primeiro um filtro de náilon e, em seguida, um filtro Millipore® Millex com diâmetro de poro de 0,40 µm.
Após a filtração foram adicionados 25 mL desta solução em placa de Petri que, posteriormente, foram colocadas numa estufa aberta sob a temperatura controlada (50 ºC ± 1 ºC) durante 4 h. Nas membranas de quitosana secas nas placas de Petri, foi adicionado uma solução de NaOH 5% (v/v) para a neutralização das membranas durante 2 h. Após este período, as membranas foram retiradas das placas e lavadas com água bidestilada até a neutralização (acompanhada pela medida de pH). Por fim, foram colocadas em extensor durante 24 h à temperatura de 25 ºC ± 1 ºC para secagem. Após a secagem, foram mantidas em um dessecador até o momento do uso.
O preparo das membranas reticuladas seguiu o mesmo procedimento das membranas puras, no entanto, a partir da solução filtrada, foi adicionado ácido sulfúrico na proporção de volume 1:30 (H2SO4/Solução após filtração, v/v). Após esta
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4.3 OBTENÇÃO DA CURVA DE CALIBRAÇÃO DA TETRACICLINA
A curva de calibração da tetraciclina foi construída em triplicata em 7 diferentes concentrações (0,0448 g/L, 0,0224 g/L, 0,0112 g/L, 0,0056 g/L, 0,0028 g/L, 0,0014 g/L e 0,0007 g/L), sendo que a absorbância dessas soluções foi medida no comprimento de onda máximo de absorbância - 358 nm. As leituras das absorbâncias foram realizadas em um espectrofotômetro de UV-Vis (Genesys 10 UV-Vis, Thermo Electron Corporation, USA) utilizando uma cubeta de quartzo com caminho óptico de 1 cm. A solução estoque de tetraciclina (0,56 g/L) foi preparada após a pesagem da tetraciclina em uma balança analítica (precisão 0,0001 g) e completado o volume com água bidestilada em um balão volumétrico de 200 mL (m:v). A partir da solução estoque foram obtidas soluções nas sete concentrações da curva analítica (v:v).
4.4 ESTUDOS DE ADSORÇÃO DA TETRACICLINA NAS MEMBRANAS DE QUITOSANA NÃO RETICULADAS E RETICULADAS
Os estudos de adsorção da tetraciclina foram realizados a partir de uma solução de tetraciclina na concentração de 0,0448 g/L em comprimento de onda de 358 nm. Esta solução foi colocada em contato com a membrana em temperatura e pH controlados, 37 ºC e 6,8, respectivamente, para simular intestino e em volume definido e controlado de 100 mL da solução de tetraciclina (0,0448 g/L). A adsorção da tetraciclina seguiu sob agitação magnética (150 rpm) da solução até o final do teste. Este estudo foi acompanhado por leituras no espectrofotômetro de UV-Vis de 5 em 5 minutos durante os primeiros 30 min de contato entre a membrana e a solução do fármaco, depois em 1 h e a cada 1 h durante 10 h e, posteriormente, a cada 24 h onde foi retirado o sobrenadante da solução para leitura. Através da curva de calibração foram obtidas as concentrações resultantes de tetraciclina na solução.
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Os ensaios de intumescimento das membranas foram realizados utilizando uma balança analítica (Micronal S/A Mettler Toledo, modelo AL204). As membranas foram pesadas secas para determinação da massa inicial e depois foram colocadas submersas em meio com pH controlado (6,8) à temperatura de 25 ± 2°C. Em tempos pré-determinados a membrana foi retirada do meio aquoso e com um papel tolha foi removido o excesso de água e, em seguida, a membrana foi pesada. Este procedimento foi repetido a cada 1 hora durante as primeiras 10 horas de experimento e, após este período, foram realizadas medidas em 24 e 48 horas. O índice de intumescimento (I) foi calculado utilizando a Equação 2, em que mt é a massa no tempo t de experimento e mo é massa da membrana seca ou massa inicial.
𝐼 = [(𝑚𝑡 − 𝑚𝑜)
𝑚𝑜 ] 𝑥 100
(Equação 2)
4.6 CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DAS MEMBRANAS POLIMÉRICAS DE QUITOSANA
As membranas não reticuladas e reticuladas foram caracterizadas antes e após o contato com o fármaco. A caracterização físico-química ocorreu através da técnica de espectroscopia por infravermelho utilizando um espectrofotômetro de infravermelho por transformada de Fourier (Shimadzu, PIKE Technologies, EUA), por difração de raios-X (DRX) utilizando um difratômetro de mesa Bruker D2 Phaser (Bruker, Alemanha) e por análise térmica - DSC (Calorimetria Exploratória Diferencial) utilizando um Calorímetro exploratório diferencial (Q20, TA Instruments) numa razão de aquecimento de 10 ºC/min.
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5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 CARACTERIZAÇÃO DAS MEMBRANAS DE QUITOSANA
A espectroscopia de infravermelho foi utilizada para caracterizar os principais grupos funcionais da quitosana e investigar a presença da tetraciclina na cadeia polimérica da quitosana, desta forma foram avaliados os espectros da tetraciclina (Figura 4) e o das membranas CS, CST, CSR e CSRT (Figura 5).
Figura 4 - Espectro de FTIR da tetraciclina.
A Figura 4 apresenta o espectro de FTIR da tetraciclina em que mostra os picos intensos em 3394-3230 cm-1 referentes as absorções de O-H e N-H e em 3010-2914
cm-1 atribuídos ao C-H de aromáticos. Os picos referentes a flexão aromática do C-H
e CH3 são, respectivamente, 1456 e 1355 cm-1. Os picos vibracionais que se
estendem de 2752-2610 e 1674-1523 cm-1 são referentes, respectivamente, ao
alongamento CH3 e alongamento C=C. O pico em 1581 cm-1 é referente a deformação
angular simétrica do plano do grupo NH2. Os picos de 1247 a 1176 cm-1 foram
atribuídos, respectivamente, ao alongamento C-N e C-C. As bandas observadas em 1672 e 1616 cm-1 são atribuídas, respectivamente, a C-O e a C=C do anel aromático
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A Figura 5 apresenta os espectros das membranas CS, CSR, CST e CSRT. No espectro de IV da quitosana temos algumas bandas características referentes as absorções do grupo NH2 (amida I) em 1590 cm-1, a absorção da ligação CO (amida II)
em 1647 cm-1 e as absorções de NH e/ou OH em torno de 3420 cm-1, além da banda
em 1154 cm-1 atribuída ao alongamento antissimétrico da ponte C-O-C (CARONI et
al., 2012; MARQUES, 2015).
Figura 5 - Espectros de FTIR das membranas de quitosana.
No espectro da membrana CS (Figura 5) podemos observar que temos a presença de bandas características da quitosana. Os picos observados em 1558 e 1652 cm-1 são atribuídos, respectivamente, ao grupo NH
2 (amida I) e a ligação CO
(amida II). As bandas em 1136 e 3392 cm-1 são referentes, respectivamente, ao
alongamento antissimétrico da ponte C-O-C e as absorções de OH e NH.
Através do espectro da membrana CST (Figura 5) podemos observar tanto bandas características da quitosana como da tetraciclina. As bandas características da quitosana podem ser observadas em 1629 cm-1 referente a ligação CO (amida II),
1581 cm-1 atribuída ao grupo NH
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e OH e 1168 cm-1 atribuída ao alongamento antissimétrico da ponte C-O-C. É possível
observar as seguintes bandas características da tetraciclina: 1168 cm-1 referente ao
alongamento C-C, 1654 cm-1 atribuída ao alongamento C=C, 1363 cm-1 referente a
flexão aromática do CH3, 2879 cm-1 atribuída a CH de aromáticos, 1710 cm-1 referente
a ligação C-O e 1481 cm-1 atribuída a flexão aromática do CH. Além da banda em
torno de 3433 cm-1 também referente as absorções de NH e OH, desta forma
mostrando a interação da membrana com o fármaco.
A partir do espetro da membrana CSR da Figura 5 podemos observar as bandas características da quitosana assim como no espectro da membrana CS. Além da banda pequena em 1151 cm-1 é sobreposta por uma banda em 1060 cm-1 devido
a presença dos íons SO42- na matriz polimérica. Através da comparação entre os
espectros das membranas CSR e CS (Figura 5) é possível observar o aparecimento de uma banda em torno de 1060 cm-1 referente ao SO
42- adicionado à matriz
polimérica através do processo de reticulação. Assim, podemos concluir que a membrana de quitosana passou pelo processo de reticulação com o ácido sulfúrico e tornou-se uma membrana de quitosana reticulada.
O espectro da membrana CSRT da Figura 5 podemos observar bandas características da quitosana: 2933-3595 cm-1 referente as absorções de OH e NH,
1598-1568 cm-1 atribuída a absorção do grupo NH
2 (amida I), 1647 cm-1 referente a
ligação C=O (amida I) e 1151 cm-1 atribuída ao alongamento antissimétrico da ponte
C-O-C. Além dessas bandas características da CS temos também bandas características da tetraciclina: 3600-2900 cm-1 referente as absorções de NH e/ou OH
e de CH de aromáticos, 2922-2848 cm-1 atribuída ao alongamento de CH
3, 1647 cm-1
referente a absorção da ligação CO e 1240-1190 cm-1 referente ao alongamento C-N.
Pela análise do DRX é possível observar que a quitosana é um sólido semicristalino que apresenta três picos característicos (2θ = 10º, 2θ = 20º e 2θ = 28º), sendo que o pico em 2θ = 10º é referente ao cristal hidratado gerado pelas ligações de hidrogênio entre os grupos amino da quitosana com as moléculas de água. Os picos de 2θ = 20º e 28º são atribuídos a rede cristalina regular da quitosana (LEMES et al., 2018). As análises de DRX realizadas das membranas CS, CSR, CST e CSRT estão apresentadas na Figura 6.
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Figura 6 - DRX das membranas de quitosana.
Através dos difratogramas de raios-X das membranas CS e CSR vemos que a área do pico em 2θ = 10º sofre uma diminuição devido o processo de reticulação, porém na mesma posição, enquanto que o pico 2θ = 20º permanece com a mesma área praticamente e sem ser descolado quanto a sua posição. O pico 2θ = 28º é mais acentuado no difratograma da membrana CSR. O desaparecimento da primeira reflectância (2θ = 10º) pode ser explicado pela formação da interação quitosana-tetraciclina após a TC ser adsorvida na membrana, em que a quitosana-tetraciclina substitui as moléculas de água presente na interação intermolecular quitosana-água.
A mudança no padrão dos difratogramas de DRX do biopolímero devido a adsorção da tetraciclina nas membranas é possível observar através do pico 2θ = 20º, o qual aparece nas membranas CS e CSR. Assim, a presença de novos picos intensos característicos de um material mais cristalino que a quitosana, os quais são atribuídos a tetraciclina (TAKARA et al., 2019) confirma a adsorção do fármaco na membrana.
A cristalinidade de um determinado material depende da mobilidade macromolecular e do aumento ou não das interações intermoleculares e intramoleculares existentes (DAS CHAGAS, 2017). Esses dois fatores dependem da
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forma com que a tetraciclina vai interferir no arranjo macromolecular da CS. Os valores de percentual de cristalinidade são apresentados na Tabela 1, os quais foram calculados através da equação abaixo e as áreas foram obtidas através de cálculos de integração utilizando operações no programa Origin Pro 8. Temos que XC é o percentual de cristalinidade, Ac é a soma das áreas das regiões cristalinas e At é a área total do difratograma (soma das áreas das regiões cristalinas e amorfas).
𝑋𝐶 = (𝐴𝑐
𝐴𝑡 ) 𝑥 100
(Equação 3)
Tabela 1 - Percentual de cristalinidade para as membranas CS.
Membranas XC (%)
CS não reticulada 19,7
CS reticulada 9,4
A partir dos dados do percentual de cristalinidade, podemos observar que o processo de reticulação provocou a diminuição no percentual, em que a membrana CS apresentou o maior grau de cristalinidade igual a 19,7 %. O processo de reticulação diminui diretamente a mobilidade da cadeia polimérica devido as cadeias estarem interligadas via íon sulfato (Figura 15), o que restringe o processo de cristalização (DAS CHAGAS, 2017).
As análises de DSC (Calorimetria Exploratória Diferencial) foram realizadas a fim de conhecer o processo de degradação da quitosana presente nas membranas de quitosana (CS, CST, CSR e CSRT). Além disso, foi observada a degradação da tetraciclina presentes nas membranas após os estudos de adsorção. Através das curvas de DSC (Figura 7), podemos observar que a degradação da macromolécula consiste em um processo exotérmico e a perda de água consiste em um processo endotérmico (BOGGIONE et al., 2017; LEBEDEVA et al., 2019).
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Figura 7 - DSC das membranas de quitosana.
A partir das temperaturas de degradação das membranas, podemos concluir que existe uma diferença significativa entre a membrana CS e a membrana CSR em termos energéticos, sendo que a membrana CS apresenta o maior valor de temperatura de degradação (por volta de 295 ºC) quando comparada com a membrana CSR devido ao processo de reticulação causar a diminuição da estabilidade térmica da membrana de quitosana. Nas membranas de quitosana não reticuladas e reticuladas com tetraciclina adsorvida (CST e CSRT), podemos observar a diminuição significativa do pico endotérmico e do pico exotérmico quando comparado com as membranas CS e CSR, devido a presença da tetraciclina, sendo que os valores de temperatura observados são referentes, respectivamente, a desidratação e degradação da tetraciclina.
A estrutura da tetraciclina apresenta menos grupos hidrofílicos que a da quitosana, o que gera picos endotérmicos e exotérmicos menores quando comparados com a quitosana, que apresenta muitos grupos hidroxílicos em sua estrutura. A membrana CS e CSR apresentam picos mais intensos, já que quanto maior o número de grupos hidrofílicos na sua estrutura, maior o número de ligações de hidrogênio, consequentemente, maior será a energia para quebrar as ligações
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presentes na macromolécula e maior será a temperatura de desidratação e degradação (YAHIA et al., 2019; YU, Xiaolong et al., 2018).
5.2 DETERMINAÇÃO ÍNDICE DE INTUMESCIMENTO
Os experimentos para determinação do índice de intumescimento foram realizados para analisar o comportamento das membranas em meio neutro (pH 6,8), sendo que esse parâmetro interfere na capacidade de adsorção de espécies químicas (AZMY et al., 2019). A Figura 8 apresenta o comportamento das membranas CS e CSR em meio tamponado, pH 6,8.
Figura 8 - Índices de intumescimento em pH 6,8 das membranas CS.
A Figura 8 revela que ambas as membranas CS apresentaram o mesmo comportamento com relação a capacidade de absorção de água, além de mostrar que rapidamente ocorreu a absorção e logo o equilíbrio foi atingido até o final do teste. Este comportamento mostra que a quitosana possui bastante afinidade com a água devido a presença de grupos hidrofílicos em sua estrutura que podem interagir por
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meio de ligações de hidrogênio. Na Tabela 2 podemos observar a média dos índices de intumescimento das membranas não reticuladas e reticuladas.
Tabela 2 - Índice de intumescimento em pH 6,8.
Índice de Intumescimento (%)
Membranas pH 6,8
CS 58,62 ± 0,82
CSR 60,97 ± 0,54
Através da média obtida dos índices de intumescimentos (%) das membranas CS e CSR presentes na Tabela 2, podemos concluir que o processo de reticulação não interferiu diretamente no índice de intumescimento da membrana, já que a membrana CS não reticulada e a CS reticulada apresentaram resultados semelhantes quanto a capacidade de sorção de água, ou seja, os índices de intumescimentos obtidos são praticamente os mesmos tendo assim um baixo desvio devido o equilíbrio de absorção de água ter sido atingido rapidamente.
5.3 ESTUDOS DE ADSORÇÃO DE TETRACICLINA
A curva de calibração da tetraciclina foi obtida através da espectrofotometria de UV-Vis em comprimento de onda de 358 nm em 7 concentrações diferentes. A equação da reta foi gerada através dos pontos experimentais e apresentou um coeficiente de correlação entre os pontos experimentais de 0,99956. A Figura 9 apresenta a curva de calibração da tetraciclina e a equação da reta.
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Figura 9 - Curva de calibração da tetraciclina.
O coeficiente de correlação obtido é satisfatório, já que para ter uma boa correlação entre os eixos o valor deve ser próximo de 1, ou seja, a relação praticamente linear entre a concentração e a absorbância. A partir curva de calibração foi possível calcular as concentrações do fármaco presente na solução de tetraciclina durante e após o estudo de adsorção da tetraciclina com a membrana.
A avaliação da capacidade de absorção do fármaco nas membranas poliméricas não reticuladas e reticuladas com espessura média de 50 µm estão apresentadas na Figura 10. A Figura 10 apresenta as curvas da concentração (g/L) em função do tempo (h) para as membranas CS não reticuladas e CS reticuladas.
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Figura 10 - Curvas de adsorção de tetraciclina nas membranas CS.
Através da Figura 10 podemos observar o comportamento das membranas CS e CSR quanto a capacidade de adsorção de tetraciclina, sendo que o processo de adsorção ocorre de forma lenta. A membrana CS apresentou uma maior eficiência em absorver o fármaco, como pode ser visto no gráfico (Figura 10), em que temos uma diminuição mais significativa da concentração da tetraciclina quando em contato com a membrana CS durante todo o tempo de contato.
A concentração de tetraciclina em solução decai muito lentamente depois de 72 h de contato com as membranas de quitosana. Assim, a capacidade de adsorção da membrana CS é alta, porém o processo é lento. A fim de melhorar a capacidade de adsorção, foram desenvolvidas membranas de quitosana reticuladas com ácido sulfúrico, mas o processo de reticulação influenciou de maneira a diminuir a adsorção de tetraciclina, sendo que menos da metade da tetraciclina pode ser adsorvida até o final do teste (74 h).
Os estudos de adsorção foram realizados em pH 6,8, logo, temos a tetraciclina na forma zwitteriônica, já que a TC em pH na faixa de 6,1 a 6,9 existe na forma zwitteriônica (Figura 11). A quitosana em pH 6,8 temos a protonação dos grupos
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aminos (Figura 12) devido a quitosana apresentar um pKa em torno de 6,5. Essa protonação gera a repulsão eletrostática entre as cadeias do polímero, favorecendo assim a adsorção de outras moléculas de água (DAS CHAGAS, 2017).
Figura 11 - Estrutura zwitteriônica da tetraciclina.
Figura 12 - Estrutura da quitosana protonada.
Os sítios ativos da quitosana em meio aquoso levemente ácido, que são os grupos aminos protonados (-NH3+), interagem através de ligações puramente
eletrostáticas com o grupo hidroxila desprotonado da tetraciclina. Neste caso, temos uma adsorção física devido a existência de interações eletrostáticas entre a membrana e o fármaco, sendo apresentada de forma esquematizada na Figura 13.
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Figura 13 - Esquema apresentando um mecanismo de sorção de tetraciclina em membranas de quitosana.
A protonação da superfície da membrana CS permite a interação eletrostática entre a cadeia do polímero com a tetraciclina (interação intramolecular) e aumenta a repulsão entre as cadeias do polímero, o que facilita e favorece a entrada da tetraciclina no processo de adsorção. A tetraciclina também interage através de ligações de hidrogênio (dipolos permanentes e induzidos) com a superfície da quitosana (CARONI, 2009). Logo, temos a diminuição das interações intermoleculares e intramolecular entre as cadeias poliméricas da quitosana, já que antes da protonação do grupo amino existiam interações intermoleculares e intramoleculares entre as cadeias poliméricas (Figura 14).
Figura 14 - Esquema apresentando um mecanismo de interação entre as cadeias poliméricas da quitosana.
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O processo de reticulação iônica utilizando o ácido sulfúrico como agente reticulante promove as interações intermoleculares presentes na Figura 15, em que temos as cadeias poliméricas sendo aproximadas via ligação com o íon sulfato através de interações eletrostáticas (SO42-).
Figura 15 - Reticulação iônica das membranas de quitosana. Adaptado por (CUI et al., 2008). Neste processo de reticulação temos os grupos aminos protonados sendo aproximados, já que após a protonação dos agrupamentos aminos presentes na quitosana temos a repulsão eletrostática entre as cadeias, ou seja, temos a quebra das interações intermolecular e intramoleculares promovendo assim o distanciamento entre as cadeias poliméricas da quitosana (CARONI, 2009).
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A adição do íon sulfato interligando as cadeias poliméricas da quitosana fez com que grande parte dos sítios ativos de adsorção do fármaco, que neste caso são os grupos aminos protonados, estivessem menos disponíveis, o que acarretou a diminuição da capacidade de adsorção das membranas de quitosana reticuladas em relação as membranas não reticuladas. Por isso, que a membrana CS apresentou a maior capacidade de adsorção, já que temos a disponibilidade de mais sítios de adsorção do fármaco, consequentemente, temos o aumento das interações da superfície da membrana CS com a tetraciclina.
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6. CONCLUSÃO
Neste trabalho, podemos concluir que a técnica de obtenção das membranas não reticuladas e reticuladas apresentou resultados satisfatórios com relação ao rendimento. Os índices de intumescimento mostraram que a reticulação não modificou a capacidade de adsorção de água nas membranas de quitosana. Através dos estudos de adsorção de tetraciclina nas membranas CS não reticulada e CS reticulada podemos concluir que a CS não reticulada apresentou uma maior capacidade de adsorção de tetraciclina, sendo que nas primeiras horas de experimento foi observado a diminuição mais significativa devido aos sítios livres da quitosana. As análises de DSC mostraram o efeito da tetraciclina nos processos de degradação e desidratação das membranas, em que tanto o pico exotérmico como o pico endotérmico foram deslocados. O pico exotérmico foi descolado para temperaturas menores e o pico endotérmico para temperaturas maiores. Através das análises por infravermelho foi possível caracterizar os principais grupos funcionais da quitosana e da tetraciclina, além de analisar o efeito da tetraciclina nos espectros obtidos. Também foi possível observar diferenças entre as membranas puras (CS e CSR) e as membranas com tetraciclina (CST e CSRT) por meio das análises de DRX, pelo desaparecimento da primeira reflectância e pelo aparecimento de picos na segunda refletância referentes a tetraciclina presente nas membranas. Assim, concluímos que as membranas de quitosana não reticuladas apresentaram resultados superiores na adsorção da tetraciclina quando comparado com as membranas reticuladas com ácido sulfúrico, sendo eficientes para remoção do fármaco em meios com pH controlado.
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7. REFERÊNCIAS
AHMAD, Mudasir et al. Chitosan centered bionanocomposites for medical specialty and curative applications: A review. International Journal of Pharmaceutics, [s. l.], v. 529, n. 1–2, p. 200–217, 2017.
ALBADARIN, Ahmad B. et al. Activated lignin-chitosan extruded blends for efficient adsorption of methylene blue. Chemical Engineering Journal, v. 307, p. 264–272, 2017.
ALOK, Amit; CHAUDHURY, N. K. Tetracycline hydrochloride: A potential clinical drug for radioprotection. Chemico-Biological Interactions, v. 245, p. 90–99, 2016.
AZMY, Eman A.M. et al. Synthesis, characterization, swelling and antimicrobial efficacies of chemically modified chitosan biopolymer. Journal of Molecular Liquids, v. 284, p. 748–754, 2019.
BAIG, Umair; UDDIN, Mohammad Kashif; GONDAL, M.A. Removal of hazardous azo dye from water using synthetic nano adsorbent: Facile synthesis, characterization, adsorption, regeneration and design of experiments. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2019.
BOGGIONE, María Julia et al. Synthesis and characterization of chitosan membranes functionalized with amino acids and copper for adsorption of endoglucanase. Powder Technology, v. 315, p. 250–257, 2017.
BONILLA, Franklin et al. Chitosan and water-soluble chitosan effects on refrigerated catfish fillet quality. Food Bioscience, v. 31, n. May 2018, p. 100426, 2019.
BRAZ, Elton Marks de Araújo et al. Modified chitosan-based bioactive material for antimicrobial application: Synthesis and characterization. International Journal of Biological Macromolecules, v. 117, n. 2017, p. 640–647, 2018.
BRITO, E. L. et al. Superparamagnetic magnetite/IPEC particles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 560, n. September 2018, p. 376–383, 2019.
49
CANEVAROLO Jr., Sebastião V. Técnicas de caracterização de polímeros. Artliber Editora, 2004.
CARONI, Ana Luiza Porpino Fernandes. Estudos de adsorção de tetraciclina em partículas de quitosana. 2009. 145 f. Tese (Doutorado em Química) – Instituto de Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2009.
CARONI, A. L.P.F. et al. Tetracycline adsorption on chitosan: A mechanistic
description based on mass uptake and zeta potential measurements. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, v. 100, p. 222–228, 2012.
CHATTERJEE, Sandipan; GUHA, Arun K.; CHATTERJEE, Bishnu P. Evaluation of quantity and quality of chitosan produce from Rhizopus oryzae by utilizing food product processing waste whey and molasses. Journal of Environmental Management, v. 251, n. May, p. 109565, 2019.
COLOBATIU, Liora et al. Evaluation of bioactive compounds-loaded chitosan fi lms as a novel and potential diabetic wound dressing material. Reactive and Functional Polymers, v. 145, n. October, p. 104369, 2019.
CROWLEY, T. E. Adsorption of ultravioleta, visible and infrared radiation. Evaluation Purification and Characterization of Secondary Metabolites, p. 33–48, 2020. CUI, Zheng et al. Ionic interactions between sulfuric acid and chitosan membranes. Carbohydrate Polymers, v. 73, n. 1, p. 111–116, 2008.
DABROWSKI, A. Adsorption - from theory to practice. Advances in Colloid and Interface Science, v. 93, p. 135–224, 2001.
DAMTIE, Mekdimu Mezemir et al. Membrane-based technologies for zero liquid discharge and fluoride removal from industrial wastewater. Chemosphere, v. 236, p. 124288, 2019.
DANTAS, Maria Dayanne de A. et al. Interactions of tetracyclines with ovalbumin, the main allergen protein from egg white: Spectroscopic and electrophoretic studies. International Journal of Biological Macromolecules, v. 102, p. 505–514, 2017. DAS CHAGAS, José Adolfo Oliveira. Membranas de quitosana com glicerol para aplicação em tratamento de águas residuais. 2017. 86 f. Dissertação (Mestrado
50
em Química) – Instituto de Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2017.
DAS, Pallabi et al. Energy saving integrated membrane crystallization: A sustainable technology solution. Separation and Purification Technology, v. 228, n. March, p. 115722, 2019.
EPP, J. X-ray diffraction (XRD) techniques for materials characterization. Materials Characterization Using Nondestructive Evaluation (NDE) Methods, p. 81–124, 2016.
FENG, Meng Xiao et al. Molecularly imprinted polymer-high performance liquid chromatography for the determination of tetracycline drugs in animal derived foods. Food Control, v. 69, p. 171–176, 2016.
GIERSZEWSKA, Magdalena; OSTROWSKA-CZUBENKO, Jadwiga. Chitosan-based membranes with different ionic crosslinking density for pharmaceutical and industrial applications. Carbohydrate Polymers, v. 153, p. 501–511, 2016.
GUNJAL, Datta B. et al. Nitrogen doped waste tea residue derived carbon dots for selective quantification of tetracycline in urine and pharmaceutical samples and yeast cell imaging application. Optical Materials, v. 98, n. October, p. 109484, 2019. HARUTYUNYAN, L. R. et al. Modification of chitosan and chitosan succinate by surfactants and investigation of their properties. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 578, n. July, p. 123622, 2019. HOLLER, F. J.; SKOOG, D. A.; CROUCH, S. R. Princípios de análise instrumental. Bookman, ed. 6, 2009.
HU, Fan et al. Poly (N-vinyl imidazole) gel-filled membrane adsorbers for highly efficient removal of dyes from water. Journal of Chromatography A, v. 1563, p. 198–206, 2018.
JAISWAL, Shefali et al. Methyl methacrylate modified chitosan: Synthesis,
characterization and application in drug and gene delivery. Carbohydrate Polymers, v. 211, p. 109–117, 2019.
