BIOMATERIAL OFTALMOLÓGICO A PARTIR DE
GALACTOMANANA EXTRAÍDA DE SEMENTES DE
DIMORPHANDRA GARDNERIANA
Natália R. Pires1, Pablyana L. R. da Cunha2, Franscisco V. F. Jamacaru3, Manoel O. O. Filho3, Regina C. M. de Paula1, Judith P. A. Feitosa1*
1* Universidade Federal do Ceará - UFC, Campus do Pici, Departamento de Química Orgânica e Inorgânica,
Fortaleza-CE, judith@dqoi.ufc.br
2
Universidade de Fortaleza – UNIFOR, Centro de Ciências Tecnológicas, Fortaleza-CE
3* Universidade Federal do Ceará – UFC, Campus do Porangabuçu, Depº de Fisiologia e Farmacologia, Fortaleza-CE Os dispositivos viscocirúrgico oftálmicos, chamados de OVDs, são materiais viscoelásticos utilizados em cirurgia de catarata para a criação e manutenção do espaço intra-ocular, e proteção dos tecidos endoteliais. As galactomananas são polissacarídeos neutros e hidrossolúveis compostos por galactose e manose que formam soluções viscosas e estáveis. O objetivo deste trabalho é preparar formulações de galactomanana de sementes da fava danta (Dimorphandra
gadneriana), encontrada na Chapada do Araripe/CE, para aplicação como OVD. Formulações da galactomanana em
tampão fosfato/salina e concentração variando de 1,0 a 3,5% (m/v) foram analisadas por reologia de fluxo e oscilatória e por rampa de temperatura (35-40°C) e apresentaram características reológicas adequadas para aplicação como OVD. Palavras-chave: Dimorphandra gardneriana, fava danta, galactomanana, OVD e reologia
Galactomannan from Dimorphandra gardneriana seeds as ophthalmic biomaterial
Ophtalmic viscosurgical devices, OVDs, are materials used during cataract removal procedure to maintain the space into the chamber cavity and protect the endothelial tissues. Galactomannans are neutral polysaccharides composed by galactose and mannose, that gives stables and viscous aqueous solutions. Aqueous formulations based on the galactomannan obtained from Dimorphandra gardneriana seeds were analyzed by rheology and presented potential to be used as OVD.
Keywords: Dimorphandra gardneriana, fava danta, galactomannan, OVD and rheology
Introdução
Atualmente a cirurgia mais realizada em todo o mundo é a cirurgia de catarata. No Brasil, em 2008 foram realizadas cerca de 250.000 cirurgias1. A catarata dá-se pela opacificação do cristalino, lente intra-ocular responsável pela focalização das imagens, impedindo a passagem dos raios de luz dificultando a formação da imagem na retina2. Uma das técnicas cirúrgicas utilizadas para a remoção da catarata é a facoemulsificação que consiste na fragmentação e na retirada do cristalino opacificado por meio de uma pequena incisão utilizando aparelhagem especial que produz
energia ultra-sônica e um sistema de emissão e aspiração de fluidos3. O cristalino comprometido é
retirado e substituido por uma lente intra-ocular, geralmente feita de silicone ou acrílico2. No procedimento, é injetado um dispositivo viscocirúrgico oftálmico (ophtalmic viscosurgical device, OVD), comercialmente chamado de viscoelástico, para criar e manter o espaço intra-ocular durante o processo cirúrgico e proteger as células endoteliais dos danos causados pelo processo de facoemulsificação4.
Atualmente, vários OVDs estão disponíveis no mercado, sendo compostos por polissacarídeo, tais como: ácido hialurônico, sulfato de condroitina e hidroxipropilmetilcelulose4,
que possuem biocompatibilidade e características reológicas já conhecidas5. Uma das limitações da
técnica, é o custo dos OVDs. No Brasil, outras materiais são utilizados, tais como: metilcelulose e poliacrilamida.
As características necessárias para um OVD podem ser avaliadas por propriedades reológicas. Bons OVDs devem possuir alta viscosidade em baixas taxas de cisalhamento, ou mesmo em repouso, para promover a manutenção do espaço intra-ocular- propriedades coesivas. Ao mesmo tempo, a viscosidade deve diminuir rapidamente à medida que o material for submetido a altas taxas de cisalhamento, facilitando o escoamento do material durante sua introdução e remoção, apresentando assim, propriedades dispersivas. Sendo assim, inicialmente necessita-se de um material com características pseudoplásticas, para facilitar a saída do material pela seringa e sua introdução na bolsa capsular5. Durante a facoemulsificação, quando o material é submetido a freqüências elevadas, e durante a introdução da lente intra-ocular (LIO), necessita-se que ele apresente propriedades elásticas para facilitar a adaptação da lente4. O material deve apresentar, então, alta pseudoplasticidade, com comportamento viscoso a baixas freqüências e comportamento elástico a altas freqüências5.
A fava danta, nome popular adotado tanto para a Dimorphandra gardneriana Tul quanto para a Dimorphandra mollis Benth, é uma planta típica do cerrado e da caatinga brasileira. A espécie Dimorphandra gardneriana é uma espécie encontrada no estado do Ceará, na Chapada do
Araripe6. As vagens de ambas as espécies são usadas para produzir rutina, um difundido flavonóide
com propriedades antioxidantes e efeitos antiinflamatórios e circulatórios7. Para extração deste flavonóide, aproximadamente 12.000 toneladas por ano de vagens são utilizadas e cerca de 600
ton/ano de sementes são descartadas8. As sementes destas espécies podem fornecer galactomanana,
já que seus endospermas são ricos nesse tipo de polissacarídeo. O aproveitamento das sementes de fava danta para a produção de galactomanana pode aumentar o valor econômico da Dimorphandra
gardeniana Tul., uma vez que da quantidade de favas que são produzidas anualmente, poderia ser
extraídas cerca de 160 ton/ano de galactomanana8. E o país, embora extremamente rico em
biodiversidade vegetal, importa muitos polissacarídeos, incluindo galactomanana9.
O objetivo deste trabalho é preparar formulações da galactomanana de fava danta (Dimorphandra gardeniana Tul) com características reológicas semelhantes às dos OVDs comerciais, na perspectiva de melhor utilizar o potencial da nossa flora.
Materiais
Foram avaliados três dispositivos viscocirúrgicos oftálmicos (OVD) comerciais: Metilcelulose 2,0% proveniente da Ophthalmos, Ofthyal (ácido hialurônico 3%) da Oft Vision e
Medilon® (poliacrilamida 1,5%) da Mediphacos Ophthalmic Professionals.
As vagens de fava danta foram coletadas na cidade do Crato (Ceará-Brasil) nos meses de agosto e setembro de 2006.
Extração da galactomanana da fava danta (Dimorphandra gardeniana Tul )
O procedimento de extração da galactomanana foi realizado, seguindo a metodologia descrita por Cunha et al., 200910.
Preparo das formulações de galactomanana
As formulações de galactomanana da fava danta foram preparadas em tampão fosfato/salina (0,1 M/0,15 M), sendo deixadas sob agitação magnética por 24 h à temperatura ambiente. As concentrações (massa de goma/volume em mL de tampão fosfato/salina) foram: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5 e 3,0%.
Estudo reológico dos OVDs e formulações de galactomanana
Para as medidas reológicas foi utilizado o reômetro AR 550 da TA Instruments, com geometria do tipo cone e placa (40 mm). à temperatura de 36°C. Para as medidas de fluxo, foram feitas rampas de viscosidade em função da taxa de cisalhamento, à 36°C. A faixa de taxa de cisalhamento aplicada foi de 0,1 s-1 a 1000 s-1. As curvas de fluxo foram ajustadas à equação de
Cross (eq. 1), que descreve o comportamento reológico de fluidos não-Newtonianos5,11:
n 0
)
γ
(K
1
)
η
(η
η
η
(1)Onde é a viscosidade limite a taxa de cisalhamento infinita, o é a viscosidade limite quando a
taxa de cisalhamento tende a ser nula, é a taxa de cisalhamento e K1 um parâmetro de ajuste. O
parâmetro n é o índice de pseudoplasticidade.
A viscoelasticidade dos OVDs e das formulações foi avaliada pelos parâmetros viscoelásticos G’ (módulo elástico ou energia potencial) e G” (módulo viscoso ou energia dissipada). As freqüências aplicadas variaram de 0,01 a 10 Hz, com tensão constante em 4 Pa (faixa de linearidade). Foi calculada a tangente de perda, que relaciona a energia potencial com a energia dissipada que é definida pela equação 2, a seguir5,11:
' G " G δ tan (2)
Para analisar a influência da temperatura no comportamento viscoelástico das formulações e dos OVDs comerciais, foram feitas medidas oscilatórias a uma freqüência constante de 1 Hz, variando a temperatura de 35°C a 40°C com incrementos de 0,5°C.
Resultados e Discussão
Extração da galactomanana da fava danta
Foi obtido um rendimento de 32,5% de galactomanana em relação à massa das sementes. Esse percentual é similar aos valores de rendimento médio de galactomanana de espécies brasileiras
(30%)12 e de galactomananas extraídas de outras sementes, como: Caesalpinia pulcherrima (25%)13
e goma guar (24-35%)14.
Reologia de fluxo dos OVDs comerciais e das formulações de galactomanana
As curvas de fluxo para OVDs comerciais estão mostradas na Figura 1a. Observa-se um caráter pseudoplástico para todos eles. Entretanto, Medilon apresenta em toda a faixa de taxa de cisalhamento os maiores valores de viscosidade. Metilcelulose e Ofthyal apresentam uma maior diferença nos valores de viscosidade a taxas de cisalhamento mais baixas, ficando mais semelhantes
em maiores taxas de cisalhamento.
As curvas de fluxo para as formulações de galactomanana da fava danta (Figura 1b) também mostram um comportamento pseudoplástico para todas as formulações. Observa-se um grande aumento da viscosidade com a concentração de 1,0 a 2,5%. Para as concentrações de 2,5 e 3,0%, esse aumento é bastante discreto.
0,1 1 10 100 1000 0,1 1 10 100 1000 Vi sco si da de , Pa .s Taxa de cisalhamento, s-1 Medilon® Metilcelulose Ofthyal 0,1 1 10 100 1000 0,1 1 10 100 1000 Viscosidade, Pa.s Taxa de cisalhamento, s-1 1,0% 1,2% 1,5% 1,8% 2,5% 3,0%
Figura 1 -Efeito da taxa de cisalhamento na viscosidade dos OVDs comerciais (a) e efeito da taxa de cisalhamento e da concentração nas soluções de galactomanana (b), a 36°C.
A pseudoplasticidade é uma característica importante na escolha do material a ser utilizado como OVD, pois a altas taxas de cisalhamento o material apresenta baixa viscosidade, facilitando a introdução do material no espaço intra-ocular 5,11.
Quando comparadas as curvas de fluxo dos OVDs comerciais e as das formulações de galactomanana, o OVD Ofthyal apresenta caráter reológico mais próximo da formulação 1% de galactomanana. O OVD Metilcelulose, em taxas de cisalhamento mais baixas apresenta viscosidades semelhantes à formulação 1,2%, porém com o aumento taxa de cisalhamento apresenta
comportamento semelhante à formulação 1,0%. O OVD Medilon® apresentou comportamento
reológico mais próximo da formulação 1,5% a altas taxas de cisalhamento, entretanto a baixas taxas de cisalhamento, essa última apresentou viscosidades maiores.
A Tabela 1 mostra os parâmetros calculados pelo ajuste do comportamento das curvas à
equação de Cross, para os OVDs comerciais e formulações de fava danta. A viscosidade limite (o),
quando a taxa de cisalhamento tende a ser nula, reflete a habilidade das formulações de criar e manter o espaço intra-ocular, quando o material encontra-se em repouso. Quanto maior a viscosidade limite, maior o potencial do material para criar e manter o espaço intra-ocular5,10.
As formulações de galactomanana apresentam um aumento de o, com o aumento da
concentração. A formulação 3,0 % apresenta aproximadamente 36 vezes o valor de o da
formulação 1,0%, indicando que ao triplicar a concentração de galactomanana, o aumento na o é
consideravelmente maior. Dentre as formulações, a formulação de 3,0% apresenta um maior potencial para criar e manter o espaço intra-ocular, facilitando o procedimento cirúrgico, aumentando a área de manipulação. Todas as formulações de galactomanana com concentração de
goma a partir de 1,5% apresentam uma viscosidade limite o maior que todos os OVDs comerciais.
Tabela 1 –Viscosidade limite, parâmetro de consistência e índice de pseudoplasticidade, para OVDs comerciais e soluções de galactomanana da fava danta, encontrados pela equação de Cross.
Amostra η0 (Pa.s) Consistência, K Índice de pseudoplasticidade, n
Medilon 14,22 0,2677 0,6030 Metilcelulose 12,94 3,9790 0,5129 Ofthyal 4,82 1,3580 0,3980 1,0% 4,10 0,2039 0,6728 1,2% 6,53 0,1280 0,7511 1,5% 19,61 0,1745 0,8082 1,8% 34,19 0,2781 0,8182 2,5% 137,21 0,4019 0,8697 3,0% 146,90 0,4904 0,8172
O índice de pseudoplasticidade, n, pode ser utilizado para comparar as propriedades pseudoplásticas, já que representa a inclinação da curva de fluxo dependente da taxa de cisalhamento. Pode variar, então, de 0 a 1. Quanto mais aproxima-se de zero, mais o comportamento aproxima-se de um comportamento Newtoniano. Quanto mais próximo de 1, mais se pronuncia o caráter pseudoplástico.
Todas as amostras apresentaram n maior que zero, indicando certo caráter pseudoplástico. Dentre os OVDs, Ofthyal apresentou o menor valor de n e Medilon® o maior valor. As formulações de galactomanana apresentaram maiores valores de n que os OVDs comerciais. Maiores valores de
n indicam maior caráter pseudoplástico, mostrando que as formulações serão de mais fácil
introdução intra-ocular, já que o material é introduzido sob efeito de uma taxa de cisalhamento5. Quando se avalia as formulações de galactomanana da fava danta, percebe-se que a partir da concentração de 1,5%, os valores do índice de pseudoplasticidade são bastante próximos.
Reologia oscilatória dos OVDs comerciais e formulações da galactomanana
A variação dos parâmetros viscoelásticos (G’ e G’’) com o aumento da freqüência, para OVDs e formulações, está mostrada na Figura 2. Os valores de G’ e G’’ para todas as amostras estão mostradas na Tabela 2. Os três OVDs comerciais apresentam um aumento do módulo viscoso (G”) e do módulo elástico (G’) com o aumento da freqüência, sendo o módulo viscoso G” sempre maior que o elástico G’, caracterizando-os como materiais predominantemente viscosos. O Ofthyal apresenta os menores valores de G’ e G”, seguido do Medilon® e por último Metilcelulose, apresentando maiores valores de G’ e G”.
Figura 2 -Efeito da freqüência oscilatória nos módulos G’ e G” dos OVDs comerciais (a) e efeito da freqüência e da concentração nos módulos G’ e
G” das soluções de galactomanana da fava danta, 36°C.
(a) (b) (c) 0.1 1 10 0.01 0.1 1 10 100 1000 G' e G' ', Pa Freqüência, Hz G' Medilon® G" Medilon® G' Metilcelulose G" Metilcelulose G' Ofhyal G" Ofthyal 0.1 1 10 0.01 0.1 1 10 100 1000 G' e G'', Pa G' e G'', Pa Freqüência, Hz G' 1,8% G" 1,8% G' 2,5% G" 2,5% G' 3,0% G" 3,0% 0.1 1 10 0.01 0.1 1 10 100 1000 G' e G' ', P a Freqüência, Hz G' 1,0% G" 1,0% G' 1,2% G" 1,2% G' 1,5% G" 1,5%
Tabela 2 -Parâmetros viscoelásticos (G’, G” e η’ ) para OVDs comerciais e soluções de galactomanana da fava danta, em freqüências
representativas.
Todas as formulações de galactomanana apresentam um aumento de G’ e G’’ com o aumento da concentração (Figura 2 e Tabela 2). Por exemplo, em uma freqüência de 1 Hz, o G” aumenta de 12,02 Pa para 332,70 Pa, quando a concentração de galactomanana aumenta de 1 para 3%. Com G’ acontece um aumento de 4,99 para 500,4 Pa para o mesmo aumento de concentração.
O aumento dos valores de G’ e G’’ com o aumento da freqüência também é observado para todas as formulações. As formulações 1,0 e 1,2% apresentaram valores de G” sempre maiores que os valores de G’, indicando um caráter predominantemente viscoso. Para as demais formulações, em determinada freqüência, ocorreu inversão de comportamento, os valores de G’ passam a ser maiores que os valores de G”. Nesse caso diz-se que as curvas apresentam um cross-over, que pode ser observado na Figura 2. A freqüência em que uma curva intercepta a outra é chamada freqüência
Amostra Freqüência (Hz) G’ (Pa) G”(Pa) η’ (Pa.s) Tg δ = G”/G’ Medilon 0,50 6, 02 16, 42 5,23 2,73 1,00 12,45 26,55 4,23 2,13 5,00 45,85 66,27 2,11 1,44 Metilcelulose 0,50 11, 51 27, 33 8,70 2,37 1,00 22, 27 43, 62 6,94 1,96 5,00 79, 93 110, 0 3,50 1,38 Ofthyal 0,50 0, 52 8, 31 2,64 15,98 1,00 1, 79 16, 11 2,56 9,00 5,00 18, 01 64, 02 2,04 3,55 1,0% 0,50 2, 02 7, 23 2,30 3,58 1,00 4, 99 12, 02 1,91 2,41 5,00 20, 65 27, 35 0,87 1,32 1,2% 0,50 3, 30 10, 28 3,27 3,11 1,00 7, 83 16, 58 2,64 2,12 5,00 29, 94 35, 10 1,12 1,17 1,5% 0,50 21, 41 39, 69 12,6 1,85 1,00 41, 15 56, 98 9,07 1,38 5,00 121,30 97, 55 3,10 0,80 1,8% 0,50 37, 65 64, 51 20,5 1,71 1,00 70, 85 89, 89 14,3 1,27 5,00 190, 9 138, 9 4,42 0,73 2,5% 0,50 200,6 181,6 57,7 0,90 1,00 295,9 214,4 34,1 0,72 5,00 566,4 251,6 8,09 0,44 3,0% 0,50 344,0 291,7 92,7 0,85 1,00 500,4 332,7 53,0 0,66 5,00 942,5 381,5 12,3 0,40
de cross-over. Para a formulação 1,5% a freqüência de cross-over é de 2,32 Hz, para 1,8% é de 1,88 Hz, para 2,5% é de 0,37 Hz e para 3,0% é de 0,30 Hz. Pode-se verificar que o aumento da concentração das formulações de galactomanana da fava danta gera uma diminuição da freqüência de cross-over.
O efeito da freqüência de oscilação na tangente de perda (G”/G’) para os OVDs comerciais e formulações está mostrado na Tabela 2. Os OVDs comerciais apresentam sempre comportamento elástico, pois em toda faixa de freqüência a tan (tangente de perda) tem valores maiores que 1.
Quanto maior a freqüência, mais os valores de tan vão se aproximando de um.
Para as formulações de galactomanana 1,0 e 1,2%, (Tabela 2) os valores de tan também
foram sempre maiores do que 1, conferindo caráter sempre viscoso. Entretanto, assim como para os
OVDs, quanto maior a freqüência, mais os valores de tan vão se aproximando de 1. As
formulações 1,5% e 1,8% possuem valores de tan bastante semelhantes. Ambas as formulações possuem características predominantemente viscosas em baixas e médias freqüências, mas em freqüências elevadas o módulo elástico torna-se maior. As formulações 2,5 e 3,0% também apresentam valores de tan muito semelhantes, sendo que essas formulações apresentam-se em maior parte durante a varredura de freqüência, na região de caráter elástico (tan menor que 1).
Rampa de Temperatura para os OVDs e formulações da galactomanana
Durante a facoemulsificação é utilizada energia ultra-sônica, que pode resultar em um
aumento da temperatura durante o processo cirúrgico15. Para a avaliação das propriedades
reológicas com a temperatura, OVDs e formulações tiveram seu módulo de perda G” avaliado com o aumento da temperatura (35 a 40°C) a uma freqüência de oscilação constante de 1 Hz (Figura 3).
Figura 3 –Efeito da temperatura no módulo G” dos OVDs comerciais (a) e efeito da temperatura e da concentração no módulo G” das soluções de galactomanana da fava danta (b), a 1 Hz e 36°C.
35 36 37 38 39 40 10 100 1000 G ", P a Temperatura, °C G" Medilon G" Metilcelulose G" Ofthyal 35 36 37 38 39 40 10 100 1000 1,0%; 1,2%; 1,5% 1,8%; 2,5%; 3,0% G" , Pa Temperatura, °C (a) (b)
Todos os OVDs e formulações apresentaram boa estabilidade no valor de G”, dentro da variação de temperatura estudada. Isso indica que mesmo ocorrendo uma variação de 5°C durante o processo cirúrgico, as formulações de galactomanana em qualquer uma das concentrações não teriam variações consideráveis em suas propriedades reológicas.
Conclusões
Quando comparadas aos OVDs comerciais, as formulações de fava danta apresentam no geral, maior pseudoplasticidade, sendo as de concentração 1,0 e 1,2% as de características reológicas mais próximas dos OVDs comerciais aqui avaliados. As formulações mais concentradas (a partir da concentração 1,5%) apresentaram um
cross-over. Essas formulações também apresentaram maior viscosidade limite (0) do que às dos OVDs comerciais e podem oferecer boa estabilidade mecânica para criar e manter o espaço intra-ocular. Os OVDs comerciais e as formulações de galactomanana da fava danta apresentam boa estabilidade térmica. As formulações de galactomanana apresentam propriedades reológicas compatíveis com às dos dispositivos viscocirúrgicos oftálmicos.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao MCT/CNPq (Rede Nanoglicobiotec) e ao INCT - Materiais complexos funcionais pelo apoio financeiro e à FUNCAP pela bolsa de iniciação científica.
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