CARACTERIZAÇÃO DOS HIDROGÉIS DO ÁLCOOL POLIVINÍLICO (PVA) PROCESSADOS POR MÉTODO QUÍMICO E RADIAÇÃO GAMA

CARACTERIZAÇÃO DOS HIDROGÉIS DO ÁLCOOL

POLIVINÍLICO (PVA) PROCESSADOS POR MÉTODO

QUÍMICO E RADIAÇÃO GAMA

Carolina M. Sadahira1, Adriana N. de Souza2, Herman S. Mansur1*

1_{Depto. de Engenharia Metalúrgica e Materiais da UFMG, Rua Espírito Santo, 35/316 - Centro, 30.160-030, Belo} Horizonte/MG;

2

Centro Universitário Newton Paiva, Belo Horizonte – MG, Brazil; *

hmansur@demet.ufmg.br

Characterization of Poly (vinyl alcohol) Hydrogels Crosslinked by Chemical Method and γ-Radiation In this study hydrogels of poly (vinyl alcohol) processed by chemical method and gamma radiation were obtained in order to evaluate the pH responsive behaviour of those systems. The chemical structure of PVA was evaluated through infrared spectra. The crosslinking was made with glutaraldehyde and citric acid/gamma radiation. The hydrogels were analyzed on the effectiveness of the crosslinking bounds by the presence of characteristics chemicals groups in the infrared spectra. The pH-responsive behavior was measured by the swelling tests in different pHs. It was demonstrated that the PVA hydrogels showed different behaviors when submitted in different pHs, meaning that pH=6 was higher than pH=3.

Introdução

Recentemente novos desenvolvimentos no campo biomédico estão sendo realizados com o propósito de avaliar a utilização dos hidrogéis como um sistema para liberação controlada de drogas. Esta investigação é principalmente justificada devido à similaridade das propriedades físicas dos hidrogéis com os tecidos vivos e em função do alto conteúdo de água e à baixa tensão

interfacial com a água e os fluidos biológicos [1]. Dentre os hidrogéis, os “estímulo-sensitivos” têm

mostrado maior interesse, uma vez que o comportamento de inchamento exibe dependência com o meio externo. Assim, estes hidrogéis mostram mudanças drásticas em sua estrutura (com alteração no inchamento) devido a mudanças de pH, temperatura, força iônica assim como radiação

eletromagnética, resultando na liberação do fármaco incorporado à matriz do hidrogel [2, 3, 4, 5].

Existem diferentes métodos químicos e físicos que podem ser utilizados para a formação das ligações cruzadas nos hidrogéis. No método químico, as ligações covalentes estão presentes nas cadeias dos polímeros e na radiação ionizante a reticulação ocorre como um resultado da recombinação de macroradicais. O álcool polivinílico (PVA) pode ser reticulado através de agentes de reticulação. Alguns destes agentes incluem: glutaraldeído, acetaldeído, formaldeído e outros monoaldeídos. Quando estes agentes são utilizados, em presença de ácido sulfúrico, ácido acético ou metanol, pontes acetais são formadas entre o grupo hidroxila do PVA e o glutaraldeído.

Para aplicações farmacêuticas, especialmente quando o PVA é usado como um carreador na liberação de drogas, o agente químico utilizado na reticulação poderá alterar a atividade biológica

gama é utilizada para a formação das ligações cruzadas [7]. Outras vantagens da radiação gama incluem: todo o processo, isto é, a formação do hidrogel e a esterilização ocorrem simultaneamente e as propriedades físico-químicas requeridas para o produto podem ser alcançadas pelo ajuste da intensidade, tipo e tempo de radiação (dose).

Segundo a literatura [8, 9] é bastante conhecida a formação de hidrogéis de PVA pela irradiação de

suas soluções com radiação ionizante. Adicionalmente, o ácido cítrico pode ser incorporado à cadeia do PVA, através da radiação gama, para intensificação da propriedade pH-sensitiva do hidrogel formado.

Experimental

Para a realização dos experimentos foi utilizado o PVA com grau de hidrólise (GH) de 98-98,8% e massa molar (Mw) entre 85000-124000 g/mol, do fornecedor Celanese Chemicals - USA (tabela 1). Para as identificações das amostras do PVA e hidrogéis derivados do PVA, os dois primeiros números identifica o GH e os dois últimos, a milhagem da Mw.

Tabela 1 – Identificação das amostras

Identificação das Amostras

PVA PVA + GA PVA +

Radiação Gama

PVA + Ácido Cítrico/Radiação Gama

PVA 98-85 PVA/GA/98/85 PVA/RAD/98/85 PVA/Ac/RAD//98/85

Preparo da solução aquosa de PVA

A solução de PVA (PVA 98-85) foi preparada na concentração de 10% (p/p), utilizando água miliQ. Inicialmente, sob agitação magnética, o PVA foi adicionado lentamente em um erlenmeyer contendo água, à temperatura ambiente. Em seguida, o erlenmeyer foi aquecido em banho-maria (temperatura entre 85±5ºC) até solubilização completa. Após resfriamento, foi adicionada água para compensação do solvente evaporado e o pH foi corrigido para 2,00± 0,05 com HCl 1,0 M (P.A., Synth, Brasil).

Síntese do filme de PVA

Foram transferidos 4,0 mL da solução de PVA a 10% p/p (PVA 98-85) para moldes de plástico de 3,0 cm de diâmetro. Em seguida, os mesmos foram colocados em estufa a 40ºC, por 48 horas, para secagem. Para os testes de inchamento, o filme de PVA foi cortado nas dimensões aproximadas de 2 cm de diâmetro.

Reticulação com Glutaraldeído (GA)

Hidrogéis de PVA reticulados com glutaraldeído foram preparados misturando 20,0 mL (0,0448 moles) da solução aquosa de PVA 10% (p/p) (PVA 98-85) com 0,0025 moles; 0,0050 moles; 0,0075 moles; 0,010 moles, 0,012 moles e 0,015 moles de GA na concentração de 25% V/V

(Sigma, USA). Após 5 minutos de reação, em temperatura ambiente, 4,0 mL das soluções PVA/GA foram transferidas para moldes de plástico de 3,0 cm de diâmetro e deixadas em estufa a 40ºC, por 72 horas, para secagem. Os testes de inchamento do hidrogel foram realizados com a razão molar 0,0050 GA: 0,0448 PVA. As amostras após secagem, foram lavadas com água milliQ para eliminação de possíveis resíduos e excesso do agente reticulante, com posterior secagem a 40ºC por 48 horas e cortadas nas dimensões aproximadas de 2 cm de diâmetro.

Reticulação com Ácido Cítrico e Radiação Gama

Em balão de fundo redondo contendo 100,0 mL da solução de PVA a 10% p/p ((PVA 98-85) adicionou-se 4,0 g de ácido cítrico anidro (99,5%, Fluka, USA). As amostras foram levadas ao banho-maria a 80ºC, sob refluxo, e agitadas constantemente, por aproximadamente 8±1 minuto. Após resfriamento, 30,0 mL das soluções foram transferidas para moldes de plástico de 9 cm de diâmetro. Após inertização com nitrogênio, as amostras foram enviadas à empresa Embrarad (São Paulo, Brasil), para serem irradiadas com 5 kGy, 10 kGy, 15 kGy, 20 kGy e 25 kGy. Uma fonte de Cobalto-60 (tipo C188) com atividade de 1.359.452 Ci e taxa de dose de 3,12 kGy/hora foi utilizada para a irradiação. Todos os experimentos foram realizados no canal experimental (66 cm de comprimento; 32,5 largura e 30,0 cm de profundidade). Em seguida, as amostras foram mantidas em estufa a 40ºC, por 48 horas, para secagem. Para os testes de inchamento e FTIR, as amostras foram cortadas nas dimensões aproximadas de 2 cm de diâmetro e lavadas com água miliQ por 4 dias para eliminação de possíveis resíduos, com posterior secagem a 40ºC, por 48 horas.

Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

O filme de PVA na concentração de 10% p/p (PVA 98-85), o hidrogel de PVA reticulado com GA (PVA/GA/98/85), o PVA irradiado (PVA/RAD/98/85) e o PVA com ácido cítrico/radiação gama (PVA/Ac/RAD/98/85) foram analisados usando a técnica de transmitância. Os espectros foram obtidos utilizando o equipamento FTIR Spectrometer Universal ATR Sampling Acessory Spectrum

One, Perkin Elmer, na faixa de número de onda compreendida entre 650-4000 cm-1 e resolução de 2

cm-1. Os espectros FTIR foram normalizados e as principais bandas de vibração foram associadas

com grupos químicos.

Teste de Inchamento

O filme de PVA (PVA 98-85), o hidrogel de PVA reticulado com GA na razão molar 0,0050 GA:0,0448 PVA (PVA/GA/98/85), o PVA irradiado com 15 kGy (PVA/RAD/98/85) e o PVA com ácido cítrico/15 kGy (PVA/Ac/RAD/98/85) foram analiticamente pesados e colocados em erlenmeyers de 150 mL. Em seguida, um volume fixo de 50 mL da solução tampão-fosfato nos pHs

3, 6 e 9 foram adicionados aos erlenmeyers. As amostras foram colocadas em “shaker” (Innova TM 4330 Refrigerated Incubator Shaker, New Brunswick Scientific) por 120 minutos, sob agitação a 150 rpm e 37ºC. Em intervalos regulares (30, 60, 90 e 120 minutos), as amostras foram retiradas, o excesso de água superficial removido com papel de filtro e pesadas em balança analítica. O grau de

inchamento foi calculado pela equação Mt – M0/M0 .100%, onde Mt representa a massa da amostra

inchada no tempo t, e M0 à massa inicial da amostra antes do inchamento [10].

Resultados e Discussão

A figura 1 e a tabela 2 mostram os espectros do FTIR para o filme do PVA e hidrogel de PVA reticulado com GA assim como as principais bandas vibracionais com os números de onda correspondentes. Há um indicativo de que a reação do PVA com o GA promova uma redução da intensidade da banda I do O-H indicando a possível formação das pontes acetais. Sugere-se excesso de GA, mesmo após enxágües com água, uma vez que foram evidenciados picos característicos de

aldeído (banda II): uma banda de absorção entre 2730 a 2720 cm-1 , assim como duas bandas

moderadamente intensas (dubletes) na região de 2830-2695 cm-1, mostrando a deformação do C-H e

as presenças das bandas III e IV referentes ao estiramento de C=O e C-O-C [11]. Outra explicação

para a presença dos picos de aldeído no hidrogel seria pela reação incompleta do GA com os grupos OH do PVA. Como o GA é um agente reticulante bifuncional, um grupo aldeído reagiria com a cadeia polimérica do PVA formando uma estrutura hemi-acetal enquanto que o outro ficaria sem

reagir em função de uma limitação conformacional ou cinética [12].

Figura 1 – Modo vibracional esquemático e freqüências das bandas do PVA e do PVA reticulado com GA: (a) PVA 98-85, (b) PVA/GA/98/85

Número de Onda (cm-1)

IV

III

I

II

(a)

(b)

Tabela 2 - Modos vibracionais com número de onda correspondente para o PVA e para o hidrogel de PVA com glutaraldeído

A figura 2 apresenta os espectros do PVA e dos hidrogéis de PVA reticulados com GA nas razões molares de 0,0025 GA:0,0448 PVA; 0,0050 GA:0,0448 PVA e 0,0075 GA:0,0448 PVA. Pode-se observar uma tendência na redução da intensidade da banda de OH em maiores concentrações de glutaraldeído, indicando que a reação do PVA com GA ocorre pela formação de pontes acetais entre os grupamentos hidroxilas das cadeias de PVA quando este agente reticulante é usado e catalisado por ácido clorídrico.

4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 N ú m e r o d e o n d a ( c m- 1 ) ( a ) ( d ) ( c ) ( b )

Identificação Grupo característico Número de Onda (cm-1)

PVA O-H da ligação de hidrogênio

intermolecular e intramolecular ν 3550-3200

I

PVA + GA

O-H da ligação de hidrogênio

intermolecular e intramolecular ν 3550-3200

PVA C-H do grupo alquila ν _2840-3000

II _{PVA +} GA C-H do aldeído ν _{2730 a 2720} Dois picos em ν _2830-2695 PVA C=O ν 1750-1735 III _{PVA +} GA C=O ν 1750-1735 PVA C-O-C ν _1150-1085 IV _{PVA +} GA C-O-C ν 1150-1085

Figura 2 - Espectro no infravermelho para PVA (a) e PVA reticulado com GA (PVA/GA/98/85): (b) 0,0025 GA:0,0448 PVA (mol/mol), (c) 0,0050 GA:0,0448 PVA (mol/mol), (d) 0,0075 GA:0,0448 PVA (mol/mol).

A figura 3 apresenta os espectros FTIR obtidos para o PVA (PVA 98-85) e PVA submetido à radiação gama (PVA/RAD/98/85). Observam-se diferenças entre os espectros nas regiões C=O

(1750-1735 cm-1), C=C (1652-1624 cm-1), 1141 cm-1 e C-H dos alcanos (3000-2840 cm-1), este

último quando submetido a 25 kGy. No entanto, não podemos concluir que houve uma degradação do PVA com as doses utilizadas neste estudo uma vez que a literatura [13, 14] relata degradação

quando se observa acentuado decaimento nas bandas OH (ν 3440-3420 cm-1), C-H (ν 2922 cm-1) e

C-O (ν 1096 cm-1) assim como o aparecimento de bandas C=O do aldeído (ν1736-1707 cm-1) e

C=C (ν 1652-1624 cm-1) com doses iguais ou superiores a 50kGy.

Figura 3 - Espectros na região do infravermelho (4000 cm-1

a 650 cm-1

): (a) PVA, (b) PVA/RAD 5 kGy, (c) PVA/RAD 10kGy, (d) PVA/RAD 15kGy, (e) PVA/RAD 20kGy, (f) PVA/RAD 25kGy.

A figura 4 apresenta os espectros FTIR obtidos para o PVA (PVA 98-85) e o PVA com ácido cítrico submetido a diferentes doses de radiação gama (PVA/Ac/RAD/98/85). Pode-se observar um

aumento da intensidade das bandas correspondentes às ligações C=O (1750 a 1735 cm-1), indicando

que os grupos carboxila do ácido cítrico foram incorporados à cadeia principal do polímero. A possível interferência do resíduo de ácido cítrico nos espectros foi eliminada através do enxágüe com água MilliQ por 4 dias. Adicionalmente, não foi evidenciada uma correlação entre intensidade do pico de carbonila e a dose de irradiação. De acordo com os perfis demonstrados no FTIR, sugere-se que a dose de 5 kGy já seja suficiente para promover a reticulação.

Número de onda (cm 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 -1₎

a

b

c

d

e

f

ν

ν

ν

ν

_C-H

_{1141 cm}

ν

ν

ν

ν

_C=O

ν

ν

ν

ν

_C=C

4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 f d c b a N ú m e r o d e o n d a ( c m - 1₎ e

Figura 4 - Espectros na região do infravermelho (4000 cm-1

a 650 cm-1

): (a) PVA; (b) PVA/Ac/RAD 5kGy; (c) PVA/Ac/RAD 10kGy; (d) PVA/Ac/RAD 15kGy; (e) PVA/Ac/RAD 20 kGy

A figura 5 compara o inchamento do PVA (PVA 98-85) com o PVA reticulado com GA (PVA/GA/98/85 na razão molar 0,0050 GA:0,0448 PVA) sob diferentes pH’s (3, 6 e 9). Foi observado que a diminuição nos grupos hidroxilas, verificados no FTIR após reação de reticulação, reduziu significativamente a afinidade dos polímeros pela água resultando na redução da taxa de inchamento. Embora a literatura [9] reporte que o PVA tenha um comportamento quase neutro frente ao estímulo de diferentes pH’s, foi observado que o PVA e hidrogéis derivados de PVA apresentaram comportamento pH sensitivo. A figura também indica que o aumento do pH de 6 para 9 resultou em uma diminuição na taxa de difusão da água. Uma teoria que explica este comportamento está relacionada com a instabilidade do sistema nos pHs 3 e 9, em função da maior

concentração dos íons [H+] ou [OH-], dificultando a difusão da água entre as cadeias. Já para o pH 6

(próximo ao neutro) sugere-se maior estabilidade uma vez que a concentração dos íons [H+] e [OH-]

é praticamente a mesma, resultando em maior difusão e consequentemente maior inchamento.

ν

ν

ν

ν

_C=O

0,0 50,0 100,0 150,0 pH In c h a m e n to ( % ) pH 3 pH 6 pH 9 □ PVA 98-85 ■ PVA/GA/98/85

Figura 5 - Inchamento do PVA 98-85 e PVA/GA/98/85 na razão molar 0,0050 GA: 0,0448 PVA em 60 minutos.

A figura 6 compara os resultados de inchamento do PVA não irradiado com o PVA irradiado com 15 kGy e ácido cítrico, em diferentes pH’s. O aumento expressivo do inchamento deste último pode ser atribuído ao aumento da hidrofilicidade do hidrogel devido às ligações dos grupos funcionais como hidroxila e/ou carboxílicos à cadeia principal do polímero. A caracterização pelo FTIR dos hidrogéis de PVA contendo ácido cítrico revelou a presença destes dois grupamentos químicos. O maior inchamento para o sistema PVA/Ac/RAD 15 kGy com o aumento do pH pode ser devido a repulsão entre as cargas negativas dos grupos carboxílicos, em função dos pKas do ácido cítrico

(3,15 (pKa1); 4,77 (pKa2) e 5,19 (pKa3)). Os resultados para o pH 9 são menores quando

comparados ao pH 6 provavelmente devido à neutralização das cargas negativas dos grupos carboxílicos pelo aumento da força iônica.

0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 In c h a m e n to ( % )

Figura 6 - Comparativo de inchamento do PVA não irradiado e PVA irradiado com ácido cítrico (4% p/V), após 120 minutos de inchamento.

pH 3 pH 6 pH 9

A figura 7 compara os resultados de inchamento do PVA irradiado com 15 kGy e do PVA com ácido cítrico e irradiado com 15 kGy. É notável o aumento do inchamento para o PVA contendo ácido cítrico e radiação gama. Nos hidrogéis contendo ácido cítrico, diferentemente dos demais, existem grupamentos hidrofílicos (hidroxila e carboxila) responsáveis pela entrada de solvente (água) na matriz polimérica, além da repulsão eletrostática da desprotonação dos grupos carboxílicos.

Figura 7 - Comparativo de inchamento do PVA irradiado e PVA irradiado com ácido cítrico (4% p/V), após 120 minutos de inchamento.

Conclusões

A técnica espectroscópica FTIR pode ser considerada uma ferramenta importante para a investigação do PVA e dos hidrogéis derivados do PVA resultantes da reticulação química e radiação gama. Os espectros do infravermelho para o PVA, PVA reticulado com glutaraldeído e PVA reticulado com ácido cítrico/radiação gama, mostraram que o procedimento experimental desenvolvido neste trabalho foi eficiente para a obtenção dos hidrogéis pH sensitivos, indicando um alto potencial para ser utilizado em sistemas de liberação de drogas.

Agradecimentos

O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq e da FAPEMIG.

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