UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS … · A Elis Cristina, pelos espectros de FTIR....
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA LABORATÓRIO DE POLÍMEROS MEMBRANAS DE QUITOSANA-GRAFT-ACRILATO DE SÓDIO INCORPORADAS COM NANOPARTÍCULAS DE PRATA PARA O DESENVOLVIMENTO DE CURATIVOS Joyce Kelly Melo Nascimento Dissertação de Mestrado FORTALEZA 2012
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
LABORATÓRIO DE POLÍMEROS
MEMBRANAS DE QUITOSANA-GRAFT-ACRILATO DE SÓDIO INCORPORADAS
COM NANOPARTÍCULAS DE PRATA PARA O DESENVOLVIMENTO DE
CURATIVOS
Joyce Kelly Melo Nascimento
Dissertação de Mestrado
FORTALEZA
2012
Joyce Kelly Melo Nascimento
MEMBRANAS DE QUITOSANA-GRAFT-ACRILATO DE SÓDIO INCORPORADAS
COM NANOPARTÍCULAS DE PRATA PARA O DESENVOLVIMENTO DE
CURATIVOS
Dissertação apresentada à Coordenação
do Programa de Pós-Graduação em
Química, da Universidade Federal do
Ceará, como requisito parcial para
obtenção do Título de Mestre em
Química.
Orientadora: Profª. Drª. Judith Pessoa de
Andrade Feitosa
FORTALEZA
2012
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará
Biblioteca de Ciências e Tecnologia
N195m Nascimento, Joyce Kelly Melo.
Membranas de quitosana-G-acrilato de sódio incorporadas com nanoparticulas de prata para o desenvolvimento de curativos / Joyce Kelly Melo Nascimento. – 2012.
76 f. : il. color., enc. ; 30 cm. Mestrado (Dissertação) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Ciência, Departamento de
Química Orgânica e Inorgânica, Mestrado em Química, Fortaleza, 2012. Área de Concentração: Química. Orientação: Profa. Dra. Judith Pessoa de Andrade Feitosa. Coorientação: Profa. Dra. Pablyana Leila Rodrigues da Cunha. 1. Nanotecnologia. 2. Nanopartículas de prata. 3.Quitosana-G- Acrilato. 4. Curativos
dermatológicos. I. Título.
CDD 547
A Deus, por me conceder essa conquista. Aos meus pais, Francisco e Gilda, por tudo.
AGRADECIMENTOS
A Deus, por estar presente em todos os momentos da minha vida, em especial
nesta etapa, me dando forças e me mostrando o caminho certo. Toda a honra e
glória sejam para Ele!
Aos meus familiares, pela compreensão da minha ausência, ajuda e torcida
pelo êxito deste trabalho.
Ao meu namorado Bruno, pelo apoio, compreensão e solicitude em todos os
momentos do desenvolvimento deste trabalho.
A professora Judith Pessoa de Andrade Feitosa, por ter me recebido no
Laboratório de Polímeros e pela orientação deste trabalho.
A professora Pablyana Leila Rodrigues da Cunha, pela ajuda e co-orientação
deste trabalho.
As professoras Jeanny da Silva Maciel e Regina Célia Monteiro de Paula pelas
contribuições no desenvolvimento deste trabalho.
Aos professores Francisco Audísio Dias Filho e Durcilene Alves da Silva, pela
participação no exame geral do conhecimento e consequentes contribuições ao
trabalho.
Ao coordenador do Curso de Pós-Graduação Prof. Marcos Carlos de Mattos,
pelo incentivo para a conclusão deste trabalho.
Ao Rubens Angelotto, pela colaboração nos experimentos.
A Tereza, pelas análises térmicas.
A Elis Cristina, pelos espectros de FTIR.
Ao Laboratório LACAN, pelas micrografias das membranas.
Ao Alysson Angelim, pela imensa ajuda nos estudos microbiológicos.
As amigas Clara Myrla e Aliny Abreu, pela grande amizade, companheirismo e
conselhos que foram de grande valor para o alcance deste objetivo.
Aos colegas do Laboratório de Polímeros: Natália, Venícios, Rayane, Nádia,
Frank, Guilherme Veras, Fabrício, Maslândia, Leonira, Jonas, Eliseu, Lute, Rafaela,
Emerson, Lorena, Rodrigo, Roberto Souza, Iolanda, Sabrina e Samira pelo carinho e
contribuições durante toda essa jornada.
A todas as pessoas que contribuíram para a conclusão deste trabalho.
A CAPES, pelo apoio financeiro.
O Senhor é meu Pastor e nada me faltará. Salmo 22,1.
RESUMO
Nanopartículas de prata (NPsAg) podem ser obtidas por métodos químicos, físicos e
biológicos. Um dos métodos mais utilizados baseia-se na redução química com
boroidreto de sódio, na presença de estabilizantes. Quitosana pode agir como
estabilizante de NPsAg. A enxertia de monômeros acrílicos na cadeia lateral da
quitosana origina copolímeros com propriedades físicas melhoradas. Copolímero do
tipo enxertado à base de quitosana e acrilato de sódio foi obtido por copolimerização
em solução utilizando um sistema de iniciação via radical livre e a partir deste foram
preparadas membranas. NPsAg foram sintetizadas nas membranas por método de
redução com boroidreto. O copolímero foi caracterizado por espectroscopia de
absorção na região do infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica, calorimetria
exploratória diferencial, análise elementar, capacidade de absorção em água e
microscopia eletrônica de varredura. A razão monômero/polissacarídeo utilizada na
reação foi de 1/2. A porcentagem de enxertia foi de 49%. FTIR e análise elementar
confirmaram a formação do copolímero. Observou-se uma capacidade de absorção
de água da membrana do copolímero 13% maior em relação à membrana de
quitosana, confirmando a eficiência da enxertia do acrilato de sódio no aumento da
hidrofilicidade do material. Nanocompósitos quitosana-graft-acrilato de sódio/Ag
foram obtidos variando-se as concentrações de nitrato de prata (2, 5 e 10 mmol.L-1)
e boroidreto de sódio (40, 100 e 200 mmol.L-1) adicionados às membranas. Os
nanocompósitos foram caracterizados por espectrofotometria na região do UV-Vis. A
mudança nas cores das membranas de amarelo claro para marrom escuro evidencia
a formação das nanopartículas de prata. A análise por UV-Vis mostrou bandas de
absorção na região de 430 nm, confirmando a formação das nanopartículas de prata
nas membranas do copolímero. O deslocamento da banda plasmônica das amostras
2/40, 5/100 e 10/200 mmol.L-1, respectivamente, para menores comprimentos de
onda demonstra que houve diminuição do diâmetro das partículas à medida que
aumenta a concentração do íons prata. O teste bacteriológico mostrou que as
membranas dos nanocompósitos apresentam atividade antibacteriana contra as
espécies Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa. Os estudos
preliminares indicam que o nanocompósito apresenta potencial para o estudo com
potencial aplicação como curativo dermatológico.
Palavras-chave: Nanopartículas de prata. Quitosana-graft-acrilato de sódio.
Curativos dermatológicos.
ABSTRACT
Silver nanoparticles (AgNPs) can be obtained by chemical, physical and biological
methods. One of most common methods is based on chemical reduction with
sodium borohydride in presence of stabilizing. Chitosan can act as AgNPs stabilizing.
Grafting of acrylic monomers side chain of chitosan yields copolymers with improved
physical properties. Graft copolymer of chitosan and sodium acrylate was obtained
by solution polymerization using an initiating system by free radical and membranes
were prepared from this graft. AgNPs membranes were synthesized by reduction
method with borohydride. Copolymer was characterized by absorption spectroscopy
in the infrared region (FTIR), thermogravimetric analysis, differential scanning
calorimetry, elemental analysis, water absorption capacity and scanning electron
microscopy. The ratio monomer / polysaccharide used in the reaction was 1/2. The
percentage of grafting was 49%. FTIR and elemental analysis confirmed the
formation of copolymer. There was a water absorption capacity of the membrane of
copolymer 13% higher than the chitosan membrane, confirming the efficiency of
grafting of sodium acrylate in increasing hydrophilicity of the material.
Nanocomposites chitosan-graft-sodium acrylate/Ag were obtained varying
concentrations of silver nitrate (2, 5 e 10 mmol.L-1) and sodium borohydride (40, 100
e 200 mmol.L-1) added in membranes. The nanocomposites were characterized by
spectrophotometry in the region of ultraviolet-visible. The change in the membranes
colors from light yellow to dark brown evidenced the formation of silver nanoparticles.
The UV-Vis analysis showed absorption bands in the region of 430 nm, confirming
the formation of silver nanoparticles in the membranes of the copolymer. The
plasmonic band of 2/40, 5/100 e 10/200 mmol.L-1 samples, shifts for smaller
wavelengths, demonstrating the decreasing of the particle diameter with increasing of
the silver ions concentration. The bacteriological testing showed that membranes of
nanocomposites exhibit antibacterial activity against species Staphylococcus aureus
and Pseudomonas aeruginosa. Preliminary studies indicate that the nanocomposite
has potential for the study with potential use as dermatological dressing.
Keywords: Silver nanoparticles. Chitosan-graft-sodium acrylate. Dermatological
dressing.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1- Esquema do processo para obtenção da quitosana ....................... 1
Figura 2 - Representação esquemática da estrutura da quitosana ................. 2
Figura 3 - Esquema ilustrativo da versatilidade da solubilidade da quitosana . 3
Figura 4 - Ilustração de pele lesionada revestida com curativo ....................... 6
Figura 5 - Representação esquemática das características exigidas de
um material para cicatrização de feridas ......................................... 7
Figura 6 - Ilustração do uso de gel à base de prata em queimaduras ............. 10
Figura 7 - Ilustração da aplicação de curativo para queimadura à base
de nanopartículas de prata .............................................................. 12
Figura 8 - Esquema da atividade bactericida proposta para prata iônica ........ 13
Figura 9 - Ilustração das formas de estabilização (a) estérica e (b)
eletrostática de nanopartículas ....................................................... 14
Figura 10 - Representação esquemática de um copolímero enxertado ............ 16
Figura 11 - Representação da estrutura da quitosana em um sistema
reticulado resultante da copolimerização por enxertia .................... 16
Figura 12 - Estrutura do ácido acrílico ............................................................... 18
Figura 13 - Estrutura do copolímero quitosana-g-acrilato de sódio ................... 19
Figura 14 - Esquema representativo de reação em cadeia onde QT
representa a quitosana e R representa (QT -NH ) ....................... 20
Figura 15 - Amostras das membranas QT-g-NaAc, Ag 2/40, Ag 5/100 e
Ag 10/200. ....................................................................................... 28
Figura 16 - Ilustração das membranas de quitosana-g-acrilato de sódio
(a) intumescida e (b) seca à temperatura ambiente. ....................... 30
Figura 17 - Espectros na região do infravermelho da quitosana (a),
poli(acrilato de sódio) (b), QT-g-NaAc (c) e QT-g-NaAc/Ag 10/ 200
(d). ................................................................................................... 33
Figura 18 - Curvas TG e DTG em atmosfera de ar sintético para amostras de
PNaAc (a), QT (b) e QT-g-NaAc (c). ............................................... 35
Figura 19 - Curvas DSC para amostras de PNaAc (a), QT (b) e QT-g-NaAc (c). 37
Figura 20 - Gráfico comparativo dos percentuais de intumescimento
das membranas de quitosana, copolímero QT-g-NaAc
e nanocompósito QT-g-NaAc/Ag. ................................................... 41
Figura 21 - Gráfico comparativo das dimensões das membranas QT e
QT-g-NaAc. ..................................................................................... 44
Figura 22 - Fotografia das membranas de quitosana-g-acrilato de
sódio incorporadas com nanopartículas de prata. ........................... 45
Figura 23 - Espectros de absorção no UV-Vis das membranas QT, QT-g-
NaAc e QT-g-NaAc/Ag em diferentes concentrações AgNO3/ NaBH4. 47
Figura 24 - Ensaio de antibiograma realizado com membranas QT-g-NaAc/Ag
contra as linhagens de Staphylococcus aureus atcc 25923
(a) e Pseudomonas aeruginosa atcc 25619 (b). ............................. 49
Figura 25 - Fotomicrografias da superfície das membranas: quitosana (A), QT-
g-NaAc (B), QT-g-NaAc/Ag 2/40 (C), QT-g-NaAc/Ag 5/100 (D) e
QT-g-NaAc/Ag 10/200 (E). .............................................................. 51
Figura 26 - Fotomicrografias da seção transversal das membranas
dos nanocompósitos: QT-g-NaAc/Ag 2/40 (A), QT-g-NaAc/Ag 5/100
(B) e QT-g-NaAc/Ag 10/200 (C), na magnitude de 5000x. .............. 52
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Influência dos parâmetros estruturais nas propriedades da quitosana 2
Tabela 2 - Principais aplicações biomédicas da quitosana e derivados ........... 5
Tabela 3 - Diferentes reagentes iniciadores químicos para copolimerização
via radical de monômeros acrílicos na quitosana ............................ 17
Tabela 4 - Condições reacionais da síntese do copolímero quitosana-g-
acrilato de sódio. ............................................................................. 24
Tabela 5 - Concentração das soluções de AgNO3 e NaBH4. ........................... 25
Tabela 6 - Parâmetros da reação de copolimerização. .................................... 28
Tabela 7 - Dados de análise elementar para a quitosana e copolímero. ......... 30
Tabela 8 - Absorções características da quitosana, poli(acrilato de sódio) e
quitosana-g-acrilato de sódio. ......................................................... 33
Tabela 9 - Parâmetros termogravimétricos da QT, PNaAc e QT-g-aAc. .......... 36
Tabela 10 - Parâmetros térmicos obtidos das curvas de DSC. .......................... 38
Tabela 11 - Parâmetros de intumescimento para as membranas de QT e
QT-g-NaAc. ..................................................................................... 39
Tabela 12 Parâmetros de intumescimento para as membranas do
nanocompósito QT-g-NaAc incorporadas com nanopartículas de
prata com concentrações iniciais de AgNO3 2, 5 e 10 mmol.L - -1
e de NaBH4 10, 100 e 200 mmol.L-1, respectivamente. .................. 41
Tabela 13 - . Valores das espessuras das membranas QT e QT-g-NaAc secas
e hidratadas em água destilada e do raio das
membranas intumescidas. .............................................................. 42
Tabela 14 - Valores das espessuras para as membranas do nanocompósito
QT-g-NaAc incorporadas com nanopartículas de prata
com concentrações iniciais de AgNO3 2, 5 e 10 mmol.L-1 e de
NaBH4 10, 100 e 200 mmol.L-1, respectivamente. .......................... 43
Tabela 15 - Dados experimentais do ensaio de antibiograma de membranas
QT-g-NaAc/Ag contra as linhagens de Staphylococcus
aureus e Pseudomonas aeruginosa. ............................................... 50
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................ 1
1.1 Quitosana ............................................................................................... 1
1.2 Aplicações da quitosana como biomaterial ........................................ 3
1.3 Curativos para lesão da pele ................................................................ 6
1.3.1 Curativos à base de quitosana ............................................................. 8
1.3.2 Atividade antimicrobiana da quitosana e derivados .......................... 9
1.4 Nanocompósitos quitosana/prata ........................................................ 10
1.5 Modificação química da quitosana ...................................................... 15
1.5.1 Copolimerização por enxertia de ácido acrílico em quitosana ......... 19
2 OBJETIVOS ............................................................................................ 22
2.1 Objetivo geral ......................................................................................... 22
2.2 Objetivos específicos ............................................................................ 22
3 EXPERIMENTAL ..................................................................................... 23
3.1 Materiais ................................................................................................. 23
3.2 Reação de copolimerização .................................................................. 23
3.3 Preparação das membranas copoliméricas de quitosana-g-acrilato
de sódio .................................................................................................. 24
3.4 Incorporação das nanopartículas de prata ......................................... 24
3.5 Caracterização do copolímero.............................................................. 25
3.5.1 Espectroscopia de absorção na região do infravermelho ................. 25
3.5.2 Análise térmica ...................................................................................... 25
3.5.3 Análise elementar .................................................................................. 26
3.5.4 Experimentos de intumescimento ....................................................... 26
3.5.5 Espessura das membranas .................................................................. 26
3.6 Caracterização das membranas com nanopartículas de prata ......... 27
3.6.1 Espectroscopia de absorção na região do Ultravioleta-Visível
(UV-Vis) ................................................................................................... 27
3.6.2 Microscopia eletrônica de varredura (MEV) ........................................ 27
3.6.3 Atividade antibacteriana ....................................................................... 27
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO .............................................................. 29
4.1 Síntese do copolímero .......................................................................... 29
4.2 Caracterização do copolímero.............................................................. 30
4.2.1 Análise elementar .................................................................................. 30
4.2.2 Espectroscopia de absorção na região do infravermelho ................. 31
4.2.3 Análise termogravimétrica (TGA) ......................................................... 34
4.2.4 Calorimetria exploratória diferencial (DSC) ........................................ 37
4.2.5 Estudo de intumescimento ................................................................... 39
4.2.6 Espessura das membranas .................................................................. 42
4.3 Caracterização das membranas de QT-g-NaAc incorporadas
com nanopartículas de prata ................................................................ 44
4.3.1 Espectrofotometria de absorção na região do Ultravioleta-Visível
(UV-Vis) ................................................................................................... 46
4.3.2 Atividade antibacteriana ....................................................................... 48
4.3.3 Morfologia das membranas .................................................................. 51
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................... 54
REFERÊNCIAS ....................................................................................... 55
1
INTRODUÇÃO
1.1 Quitosana
Quitosana é um polissacarídeo linear com ampla aplicação e eficácia nos
campos da farmacologia, tecnologia de biomateriais, biomedicina, agricultura e
indústrias cosmética e alimentícia. Ela é obtida por desacetilação alcalina da quitina
(Figura 1), o segundo polissacarídeo mais abundante encontrado na natureza. Ele
está presente no exoesqueleto de insetos e crustáceos marinhos como camarões,
caranguejos e lagostas, e é caracterizado por sua estrutura fibrosa [Goy e col.,
2009]. Pode ser oriunda de fontes microbianas, em particular da parede celular de
fungos [Pallab e col., 2008].
FIGURA 1. ESQUEMA DO PROCESSO PARA OBTENÇÃO DA QUITOSANA. (Fonte: Macedo, 2009).
A molécula de quitosana é um copolímero cuja estrutura básica consiste
de uma cadeia de unidades N-acetil-2-amino-2-deoxi-D-glicopiranose e 2-amino-2-
deoxi-D-glicopiranose, unidas entre si por ligações (1 4)- -glicosídica [Dash e col.,
2011]. A estrutura da quitosana está mostrada na Figura 2.
2
FIGURA 2. REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA ESTRUTURA DA QUITOSANA. (Fonte: Zohuriaan-Mehr, 2005). NOTA: n-representação das unidades D-glicosamina; m-representação das unidades N-acetil-D-glicosamina.
Os principais parâmetros que influenciam as características da quitosana
são: a massa molar (MM) e o grau de desacetilação (GD), representando a porção
de unidades desacetiladas. Esses parâmetros são determinados pelas condições
escolhidas durante a etapa de obtenção da quitosana, tais como: temperatura e
tempo de reação. Geralmente, ela é obtida comercialmente com um GD > 85% e
com massa molar na faixa de 104 a 106 g/mol. Essas diferenças estruturais afetam
diretamente as propriedades químicas e biológicas do polímero (Tabela 1).
TABELA 1. INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS ESTRUTURAIS NAS PROPRIEDADES DA QUITOSANA. (Fonte: Dash e col., 2011).
Propriedades Características estruturais
Solubilidade GD
Cristalinidade GD
Viscosidade GD
Biocompatibilidade GD
Antimicrobiana GD; MM
* - Diretamente proporcional à propriedade; - Inversamente proporcional à propriedade. GD: grau de desacetilação; MM: massa molar.
A quitosana é insolúvel em água, ácidos concentrados, álcool e acetona,
porém solúvel na maior parte dos ácidos orgânicos diluídos como ácido acético,
fórmico, cítrico, além de ácidos inorgânicos, como ácido clorídrico diluído, resultando
em soluções viscosas. As modificações na sua solubilidade estão diretamente
relacionadas à quantidade de grupamentos amino protonados na cadeia (Figura 3).
O
HO
[O
OH
]n [ O
0H
NH
OHO ]
m
O
123
45
6
2
NH2
CH3
3
O maior número destes ocasiona maior repulsão eletrostática entre as cadeias
[Martins, 2010].
FIGURA 3. ESQUEMA ILUSTRATIVO DA VERSATILIDADE DA SOLUBILIDADE DA QUITOSANA. (Fonte: Adaptado de Dash e col., 2011).
Outro parâmetro importante refere-se à carga da quitosana em meio
ácido. Esse polissacarídeo se comporta como um polieletrólito, apresentando uma
alta densidade de carga positiva. Biomoléculas como proteínas, polissacarídeos
aniônicos, ácidos nucleicos e ácidos graxos, entre outros, podem apresentar cargas
negativas em sua superfície, o que pode levar facilmente à sua interação com a
quitosana [Dallan, 2005].
1.2 Aplicações da quitosana como biomaterial
Biomaterial é qualquer substância que atua em sistemas biológicos de
modo contínuo ou intermitente, de forma a reparar e/ou reconstituir partes ou alguma
função do corpo humano. Esses materiais podem ser de origem sintética ou natural,
sendo essa última classe representada por fibras proteicas, colágeno purificado e
polissacarídeos. Os biomateriais podem ainda ser classificados como bioestáveis ou
bioabsorvíveis. Os bioestáveis substituem o tecido lesado por tempo indeterminado,
como por exemplo, as lentes intraoculares. Por outro lado, existem tecidos que
necessitam de um suporte que preencha apenas temporariamente a região lesada,
até a sua total recomposição, sendo necessária a utilização de biomateriais
bioabsorvíveis. Esses podem ser aplicados, como por exemplo, em curativos
dermatológicos [Dallan, 2005].
Uma propriedade essencial para a ciência dos biomateriais é a
biocompatibilidade, definida como a capacidade do material ter uma resposta
Alto pH
Insolúvel
Baixo pH
Solúvel
4
apropriada numa aplicação específica, envolvendo quatro fenômenos: processos de
concentração de biomacromoléculas junto à superfície dos materiais; resposta local
do tecido à presença do biomaterial; efeito do ambiente corpóreo no material que
pode ser visualizado, por exemplo, pelos processos de degradação do polímero; e
resposta do corpo como um todo à presença do biomaterial, que pode ser percebida
através da manifestação de alergias [Bispo, 2009].
Geralmente os biomateriais são sintetizados na forma de filmes, espumas,
géis e compósitos e devem apresentar características fundamentais tais como:
leveza, ausência de odor, impermeabilidade a microrganismos, permeabilidade ao
vapor d’água e ao oxigênio, biodegradabilidade, propriedades mecânicas e
biológicas adequadas, além de facilidade no processamento [Dallan, 2005].
A quitosana tem sido intensamente estudada nas últimas décadas como
um biomaterial, apesar de seu uso não ser recente. Antigos pescadores japoneses e
o exército dos Estados Unidos já a utilizavam como cicatrizante e agente
hemostático [Macedo, 2009].
A quitosana é biocompatível, podendo ter largas aplicações médica, tais
como: aplicações tópicas, oculares e cirúrgicas [Azevedo e col., 2007]. É
biodegradável por ser metabolizada por enzimas, como as lizoenzimas. Apresenta
baixa toxicidade (DL50 em camundongos é de 16 g kg-1, via oral, em estudos
realizados in vivo) [Costa Silva e col., 2006]. É bioativa, graças à presença de
grupos hidroxila e amino fortemente reativos e hidrofílicos; é bioadesiva, devido às
interações iônicas com componentes de membranas das mucosas. Além disso, é
derivada de uma matéria prima abundantemente disponível e renovável [Martins,
2010; Pallab e col., 2008].
A aplicação da quitosana como biomaterial também é bastante ampla, por
ela apresentar propriedades intrínsecas tais como: capacidade de absorção, efeito
hemostático, atividade anticoagulante, antifúngica, antiviral e antibacteriana,
ausência de alergenicidade, além da possibilidade de ser moldada em diversas
formas tais como: pó, pasta, gel, fibras e filmes, bem tolerados pelos tecidos vivos
[Santos e col., 2006].
De um modo geral, uma membrana pode ser definida como uma barreira
que separa duas fases e restringe o transporte de várias espécies químicas de
maneira específica. Estas podem ser classificadas como homogênea ou
heterogênea; simétrica ou assimétrica na estrutura; neutra, carregada positivamente
5
ou negativamente, ou bipolar. Membranas podem ser porosas ou densas, com
espessura variando entre 100 nm até mais de 1 cm [Lima, 2006].
A maneira mais simples de obtenção de membranas de quitosana é
através da evaporação do solvente em uma solução de quitosana disposta em uma
placa de vidro, que normalmente produz membranas resistentes e transparentes,
com capacidade de absorção de água e lenta degradação enzimática pela
lisoenzima, presente em tecidos e fluidos corporais de mamíferos [Lima, 2006]. De
acordo com Castro [2006], as reações ao corpo estranho são brandas para os
biomateriais que degradam lentamente e severas para os biomateriais que
degradam mais rapidamente.
Tais propriedades têm potencializado o uso de membranas de quitosana
como biomaterial voltado, entre outras aplicações, para o uso no campo da
cicatrização de feridas através da manufatura de bandagens e curativos [Muzzarelli,
2009]. Algumas das aplicações da quitosana e de seus derivados na área de
biomateriais estão sumarizadas na Tabela 2.
TABELA 2. PRINCIPAIS APLICAÇÕES BIOMÉDICAS DA QUITOSANA E DERIVADOS. (Fonte: Adaptado de Fernandes, 2009).
Aplicações biomédicas potenciais
Suturas
Pele artificial
Reconstrução óssea
Lentes de contato para córnea
Excipiente ou carreador para liberação controlada de fármacos
Material para encapsulamento
6
1.3 Curativos para lesões de pele
Curativos formam um importante segmento do mercado mundial de
produtos médicos e farmacêuticos. Eles são classificados como: convencionais,
hidrogéis, hidrocolóides, bioativos, enzimas proteolíticas, curativos antiodor e filmes
adesivos. Os curativos convencionais são aqueles que utilizam compressas de
gazes. Sua função é permitir a evaporação dos exsudatos e prevenir a entrada de
bactérias na ferida [Dallan, 2005].
Os curativos modernos, por outro lado, baseiam-se no conceito de criar
um ambiente ótimo para movimentação das células epiteliais, a fim de promover o
fechamento da ferida, como mostrado na Figura 4.
FIGURA 4. ILUSTRAÇÃO DE PELE LESIONADA REVESTIDA COM CURATIVO. (Fonte: Adaptado de Bispo, 2009).
Tais condições ótimas, relacionadas ao transporte adequado de gases e
fluidos, a fim de manter um ambiente aeróbico e ao mesmo tempo promovendo uma
barreira funcional contra infecções, tem sido o foco de vários dispositivos destinados
ao tratamento de traumas, queimaduras, feridas em diabéticos, úlceras de pele e
outros tipos de lesões cutâneas, como por exemplo, as feridas cirúrgicas [Rodrigues,
2011]. Outras características que devem ser consideradas são: aderência à ferida,
porosidade e propriedades mecânicas [Fernandes, 2009].
7
Lu e col. [2008] descreveram as características do modelo de curativo
ideal para promover a cicatrização de ferimentos que são: manter o ambiente úmido,
permitir a troca gasosa, agir como uma barreira à ação de microrganismos, ser
capaz de remover o exsudato da ferida, ser facilmente removido sem fraturas, além
de ser não-tóxico, não-alergênico, não-aderente e antimicrobiano, entre outras
características que estão ilustradas na Figura 5.
FIGURA 5. REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DAS CARACTERÍSTICAS EXIGIDAS DE UM MATERIAL PARA CICATRIZAÇÃO DE FERIDAS. (Fonte: Jayakumar e col., 2011).
O corpo humano é recoberto por aproximadamente dois metros
quadrados de pele formada por camadas distintas, unidas entre si: a epiderme, a
derme e a hipoderme. Suas principais funções são: proteção dos tecidos
subjacentes, regulação da temperatura corpórea, além de conter terminações
nervosas sensitivas com funções distintas [Bispo, 2009; Dallan, 2005].
O processo de cicatrização de uma lesão cutânea é bastante complicado.
Consiste de uma série de eventos celulares e moleculares que agem conjuntamente
para que ocorra a repavimentação e a reconstituição do tecido. A complexidade
desse processo pode ser resumida em cinco etapas: coagulação, inflamação,
proliferação, contração da ferida e remodelagem [Bispo, 2009; Fernandes, 2009].
Corpos estranhos introduzidos na ferida, no ato da lesão, causam
respostas inflamatórias que dificultam a cicatrização e, algumas vezes, levam à
formação de granulomas ou abscesso. Bactérias patogênicas como a
Staphylococcus aureus e a Pseudomona aeruginosa podem ser prejudiciais ao
processo de cicatrização. Por isso, uma característica primordial de um curativo é a
8
sua capacidade de conter a proliferação de microrganismos patogênicos
[Fernandes, 2009].
Quando um curativo é mantido no local do ferimento por vários dias, o
processo de cura ocorre mais cedo, uma vez que a lesão é deixada intacta. Isto é
importante porque mantém a temperatura no local, condição necessária para
promover a cicatrização. As frequentes mudanças de curativos diminuem a
temperatura do ferimento por exposição ao ar. Isso retarda o processo de
cicatrização até que o corpo reaqueça a área. Dessa forma, curativos trocados com
menor frequência ajudam no processo de cicatrização [Bispo, 2009].
Assim, para a produção de um curativo dermatológico, é necessário o
entendimento da sua constituição, da organização, da função dos componentes, das
propriedades químicas, físicas, mecânicas e biológicas. A partir desse
entendimento, é possível produzir um biomaterial possuindo similaridade tanto
funcional quanto estrutural com os tecidos vivos, visando tratar com eficiência o
tecido epitelial, enquanto um novo tecido é formado [Bispo, 2009].
1.3.1 Curativos à base de quitosana
Quitosana e seus derivados têm sido considerados vantajosos para
aplicação no tratamento de ferimentos ou queimaduras, uma vez que podem, por si
mesmos, participar ativamente do processo de cicatrização da ferida. Esses
materiais podem ser empregados sob a forma de filme de recobrimento [Azad e col.,
2004; Burkatovskaya e col., 2008; Dallan, 2005; Rhim e col., 2006]; soluções
coloidais [Angspatt e col., 2010] e scaffolds [Kumar e col., 2010].
No Brasil, uma bandagem ativa denominada HemoBand®, produzida pela
Polymar (Fortaleza, CE), é o único curativo à base de quitosana comercialmente
disponível. No entanto, sua aplicação não é voltada ao tratamento de feridas e sim
como agente hemostático, impedindo sangramentos e evitando a ação de agentes
infecciosos externos. A bandagem é indicada para pacientes em hemodiálise, com
alto risco de sangramentos.
Uma das características da quitosana que viabiliza sua aplicação na área
de curativos dermatológicos é a sua capacidade de estimular a formação de tecidos
de granulação e reepitalização, graças a efeitos bioquímicos tais como: ativação de
fibroblastos, produção de citocinas, migração de células gigantes e estimulação da
9
síntese de colágeno tipo IV [Muzzarelli, 2009]. Shi e col. [2006] resumiram algumas
outras propriedades importantes para curativos de quitosana tais como:
quimioatração com neutrófilos e macrófagos, limitação da formação de cicatrizes e
retração, e liberação controlada de agentes antimicrobianos exógenos que previnem
infecções.
Além disso, após a cicatrização do ferimento, não há necessidade de
remover o curativo, pois as enzimas presentes nos tecidos epiteliais degradam a
quitosana permitindo a sua absorção pelo organismo. Como benefício adicional,
evitam-se danos na área cicatrizada causados pela remoção da bandagem [Clasen,
2006].
1.3.2 Atividade antimicrobiana da quitosana e derivados
As primeiras pesquisas relacionadas ao potencial antimicrobiano da
quitosana e seus derivados datam de 1980. Esses estudos consideravam que a
quitosana pode agir de forma bactericida (matando a bactéria) ou bacteriostática
(impedindo o seu crescimento). Por outro lado, os estudos recentes caracterizam
esse biopolímero como bacteriostático, apesar do seu exato mecanismo de ação
antimicrobiana ainda não ser totalmente conhecido [Goy e col., 2009].
Uma das razões para o caráter antimicrobiano da quitosana é a carga
positiva no grupamento amino, o qual interage eletrostaticamente com a superfície
celular do micro-organismo, comprometendo sua biossíntese. Essas interações
resultam em dupla interferência, sendo estas: alteração da permeabilidade da
parede da membrana, causando um desequilíbrio osmótico interno que leva à
inibição do crescimento do microrganismo; e hidrólise de peptidoglicanos na parede
celular do microrganismo, levando à fuga de eletrólitos intracelulares essenciais à
célula [Goy e col., 2009; Martins, 2010]. Além disso, a quitosana impede o transporte
de massa através da parede celular, acelerando a morte das bactérias [Chunmeng e
col., 2006].
Kong e col. [2008] realizaram um estudo para verificar o mecanismo
antibacteriano de compostos à base de quitosana contra E. coli. Microesferas de
quitosana foram preparadas por emulsificação formando ligações cruzadas. As
microesferas mudaram a permeabilidade da membrana celular, causando fuga do
10
conteúdo celular, o que pode estar correlacionado com a interação da quitosana
com os fosfolipídios da membrana citoplasmática da bactéria gram-negativa.
Rabea e col., [2003] avaliaram algumas espécies de bactérias para
verificar a Mínima Concentração Inibitória (MCI) e observaram que a quitosana
apresenta ação contra: Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Micrococcus luteus,
Klebsiella pneumoniae, entre outras, como MCI variando entre 10 e 1000 ppm.
O mecanismo proposto para a ação antifúngica da quitosana é que ela
age como quelante que se liga seletivamente a traços de metais inibindo a produção
de toxinas e o crescimento microbiano. A ligação da quitosana com o DNA ocorre
via penetração no núcleo do microrganismo, interferindo na síntese do mRNA e de
proteínas [Martins, 2010].
No entanto, a ação antimicrobiana da quitosana é limitada a algumas
espécies de microrganismos. As bactérias gram-negativas estão mais vulneráveis ao
ataque da quitosana, uma vez que estas possuem menor concentração de
peptidoglicano. Essas características as tornam mais suscetíveis à permeabilidade
da membrana, quando comparadas às bactérias gram-positivas [Martins, 2010]. Isso
leva cada vez mais o interesse em associar este biopolímero a outros materiais com
potencial antimicrobiano, por exemplo, a combinação da quitosana com
componentes inorgânicos tais como: prata, zinco, dióxido de silício e dióxido de
titânio.
1.4 Nanocompósitos quitosana/prata
A prata é um metal que apresenta propriedades que a possibilita ter uma
grande contribuição na cicatrização de ferimentos, sendo utilizada há séculos no
tratamento de queimaduras e feridas crônicas [Rai e col., 2009]. Um exemplo disso
são os produtos de uso tópico à base de prata que incluem pomadas, bandagens e
géis (Figura 6) [Vimala e col., 2010]. Além disso, a prata já era utilizada como
agente quimioterápico contra patologias provocadas por bactérias como
Staphylococcus aureus, Enterococcus fuecim, Tuberculosis e Streptococcus
pneumoniae [Reis, 2011].
11
FIGURA 6. ILUSTRAÇÃO DO USO DE GEL À BASE DE PRATA EM QUEIMADURAS. (Fonte: Vimala e col., 2010).
Ao contrário dos antibióticos farmacêuticos que geralmente destroem
enzimas benéficas e provocam resistência bacteriana, a prata age deixando as
enzimas benéficas intactas [Lu e col., 2008].
O efeito antimicrobiano da prata foi quantificado pela primeira vez, na
forma de íons em 1983, contra algas. O uso de nanopartículas de prata é relatado
em documentos científicos desde o fim do século 18, sendo seu estudo intensificado
nos anos de 1920. Além da prata, muitos outros metais foram avaliados,
estabelecendo-se uma escala de toxicidade contra microrganismos que segue: Ag >
Hg > Cu > Cd > Pb > Co > Au > Zn > Fe > Mn > Mo > Sn. Além disso, a prata
apresenta baixa toxicidade em células animais [Berni Neto e col., 2008]. Estudos in
vitro, realizados por Morones e col. [2005], demonstraram propriedades antivirais
das NPsAg, onde partículas de 1 nm de diâmetro são capazes de se ligar
diretamente ao vírus HIV-1.
Na área da bionanotecnologia, diferentes biomateriais têm surgido a partir
do ouro, prata, platina, paládio, cobre e zinco. A prata destaca-se dentre eles devido
às suas propriedades ópticas, eletrônicas e químicas efetivas, além de sua maior
interação com a luz por meio da banda plasmônica. Tais propriedades têm
viabilizado a utilização de nanopartículas de prata na área biomédica [Fu e col.,
2006; Huang e col., 2004] e catalítica [Hasell e col., 2007], alem de atuação
antimicrobiana contra uma ampla faixa de bactérias, fungos e outros microrganismos
por um longo tempo e em baixas concentrações. As propriedades físico-químicas e
biológicas das nanopartículas são determinadas pela sua forma e tamanho [Rai e
col., 2009].
O uso de nanopartículas de prata (NPsAg) têm demonstrado melhoria nas
propriedades antibacterianas em relação aos íons de prata, normalmente
relacionada à elevada área superficial e alta fração de átomos na superfície,
contribuindo para uma melhor incorporação das nanopartículas no interior da
12
bactéria. Mesmo em concentrações nanomolares, as NPsAg são efetivas em relação
a íons de prata em concentrações micromolares [Vimala e col., 2010]. Além disso,
as nanopartículas são menos afetadas pelo ambiente do que a prata na forma iônica
[Muzzarelli, 2009].
Evidências recentes sugerem que nanopartículas de prata apresentam
potencial efeito anti-inflamatório [Lu e col., 2008; Chaloupka e col., 2010] e
aceleram, assim, o processo de cicatrização, viabilizando ainda mais sua exploração
no desenvolvimento de biomateriais curativos para feridas e queimaduras. Alguns já
estão comercialmente disponíveis e em uso clínico, como por exemplo, ActcoatTM
Burn, ilustrado na Figura 7.
FIGURA 7. ILUSTRAÇÃO DA APLICAÇÃO DE CURATIVO PARA QUEIMADURA À BASE DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA. (Fonte: Mountainside Medical, 2012).
Tian e col. [2007], ao estudarem os benefícios das nanopartículas de
prata às lesões, verificaram que o processo de cicatrização é acelerado,
apresentando pouca fibrose e crescimento normal de pêlos, sendo, portanto,
esteticamente viável. Schaller e col. [2004], por outro lado, verificaram que a prata
coloidal foi menos tóxica do que os íons prata no tratamento de feridas, promovendo
um aumento da re-epitelização quando comparada com antibióticos.
O efeito bactericida das NPsAg foi comprovado contra uma gama de
bactérias gram-negativas e gram-positivas, entre elas: Escherichia coli, Vibrio
cholera, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhi [Morones e col., 2005];
Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis,
Enterococcus faecium, Klebsiella pneumoniae [Panacek e col., 2006]; Salmonella
typhi [Shrivastava, 2007] e Bacillus subtilis [Ruparelia e col., 2008].
O exato mecanismo de ação antibacteriana da prata ainda não foi
completamente esclarecido, mas os possíveis mecanismos de ação da prata
metálica, íons de prata e nanopartículas têm sido sugeridos de acordo com as
mudanças morfológicas e estruturais encontradas nas células [Chaloupka e col.
13
2010]. O esquema mostrado na Figura 8 descreve o modo de ação proposto para a
prata iônica na morte celular do microrganismo.
O modo de ação proposto para as nanopartículas de prata é que elas,
devido ao seu pequeno tamanho, entram facilmente em contato com a bactéria e se
prendem à parede celular bacteriana, através de grupos tióis de enzimas
respiratórias, comprometendo a permeabilidade da parede e a respiração celular.
Como consequência, as nanopartículas podem penetrar no interior das células e
interagir com compostos contendo fósforo, comprometendo a replicação do DNA e
levando à morte celular [Jing e col., 2010].
FIGURA 8. ESQUEMA DA ATIVIDADE BACTERICIDA PROPOSTA PARA PRATA IÔNICA. (Fonte: adaptado de Chaloupka e col., 2010).
As vantagens significativas das nanopartículas de prata incluem a
facilidade de fabricação e a possibilidade de incorporação em diferentes matrizes
[Porel e col., 2011]. Métodos químicos, físicos e biológicos têm sido desenvolvidos
para sintetizar nanopartículas metálicas. As principais rotas sintéticas para a
produção de nanopartículas de prata baseiam-se na redução química por redutores
como citrato de sódio [Kumar e col., 2010], e boroidreto de sódio [Jing e col., 2010].
Outros agentes redutores utilizados são: ácidos orgânicos, aldeídos e álcoois [Hasell
e col., 2007].
Além da redução química, outros métodos podem ser utilizados para a
síntese de nanopartículas de prata, tais como: fotorredução, irradiação a laser,
decomposição térmica em solventes orgânicos e ultrassom. Dependendo das
14
condições reacionais podem ser obtidas nanopartículas com formas esféricas,
elípticas, cúbicas, triangulares, hexagonais e prismas, com diferentes tamanhos
médios e dispersões de tamanho [Andrade, 2008; Chen e Schluesener, 2008].
O processo de síntese ocorre comumente na presença de protetores e
estabilizantes que controlam o crescimento e estabilizam as dispersões e
aglomerações das partículas. Isso pode ser conseguido de forma estérica ou
eletrostática (Figura 9). A estabilização estérica normalmente envolve a absorção de
polímeros e surfactantes na superfície da partícula formando uma camada protetora
[Vimala e col., 2010]. O agente estabilizante deve ter boa afinidade pela superfície
da partícula [Hasell e col., 2007].
Ahmad e col. [2011] sugerem que as moléculas não se aglomeram
devido ao impedimento estérico provocado pelas cadeias do polímero. Eles
comentam ainda que a modificação da superfície dessas nanopartículas é muito
importante para facilitar sua aplicação nas áreas da biotecnologia e nanocompósitos.
FIGURA 9. ILUSTRAÇÃO DAS FORMAS DE ESTABILIZAÇÃO (A) ESTÉRICA E (B) ELETROSTÁTICA DE NANOPARTÍCULAS. (Fonte: Andrade, 2008).
Nanopartículas de prata têm sido incorporadas em uma grande variedade
de matrizes, como por exemplo, compósitos [Kim e col., 2007]; coloides [Fabrega e
col., 2009]; fibras [Kong e Jang, 2008]; géis [Jain e col., 2009]; membranas [Yu e
col., 2007] e filmes finos [Porel e col., 2011].
Pesquisas têm sido reportadas sobre síntese de nanopartículas de prata
baseadas em quitosana [Dongwei e col., 2009; Murugadoss e col., 2008; Pallab e
col., 2008] e seus derivados [Ahmad e col., 2011; Jing e col., 2010; Rasika e Bajpai,
2010], sendo o foco principal a inibição de bactérias como a Escherichia coli e
Staphilococus aureus, entre outras, além de rotas sintéticas que visam obter
nanopartículas de prata mais estáveis.
(A) (B)
15
A quitosana é um polímero quelante, com excelente capacidade de se
ligar a uma série de íons metálicos. Os íons prata, por exemplo, podem se ligar à
cadeia da macromolécula através de interações eletrostáticas do tipo íon-dipolo, por
meio de grupos polares como hidroxila e éter presentes na estrutura deste
polissacarídeo. Na presença de um agente redutor, os íons Ag+ são reduzidos e as
nanopartículas de prata são então formadas [Rasika e Bajpai, 2010].
1.5 Modificação química da quitosana
Há diversas possibilidades de modificação química da quitosana, entre
elas, copolimerização, sulfatação, fosforilação, hidroxilação e carboximetilação.
Geralmente, esses derivados têm sido sintetizados com a finalidade de otimizar
propriedades térmicas, hidrossolubilidade, absorção de água, efeito de pH,
versatilidade e biofuncionalidade do material, com a finalidade de ampliar sua
aplicação nos campos farmacêuticos, biomédicos e tecnológicos [Chen e Park,
2003; Mourya e Inamdar, 2008; Prashanth e Tharanathan, 2003].
Um copolímero é um polímero que apresenta mais de um tipo de mero na
cadeia polimérica. A interação de polímeros diferentes para a obtenção de novos
materiais pode ser conseguida por meio da reação de copolimerização por enxertia.
Esta é uma técnica muito útil para inserir monômeros na cadeia lateral polimérica,
pois além de combinar as propriedades individuais dos polímeros constituintes,
propicia propriedades adicionais e específicas ao material por efeito sinergético
[Castro, 2006].
Um copolímero enxertado é obtido quando a cadeia de um polímero é
ligada covalentemente à cadeia de outro polímero, ocorrendo formação de redes
híbridas de polímeros. Esses sistemas híbridos poliméricos são atrativos porque
combinam estrutura e propriedades físico-químicas dos materiais, tanto naturais
como sintéticos [D’ Agostini, β00λ].
O copolímero enxertado pode ser descrito como tendo uma estrutura
similar à da Figura 10, onde podem ser observadas ramificações do polímero B em
diferentes pontos da cadeia do polímero A [Jenkins e Hudson, 2001]. A
nomenclatura comumente utilizada para descrever um polímero A enxertado no
polímero B é A-g-B [Silva, 2006].
16
FIGURA 10. REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM COPOLÍMERO ENXERTADO.
Quanto a sua estrutura, os sistemas reticulados resultantes da
copolimerização por enxertia podem ser divididos em três tipos, mostrados na Figura
11. Quitosana reticulada com ela mesma, como pode ser visto na Figura 11A; redes
híbridas do polímero (Figura 11B); e redes semi ou totalmente interpenetradas do
polímero (Figura 11C).
FIGURA 11. REPRESENTAÇÃO DA ESTRUTURA DA QUITOSANA EM UM SISTEMA
RETICULADO RESULTANTE DA COPOLIMERIZAÇÃO POR ENXERTIA. Fonte: Adaptado de Berger
e col. [2004].
A B C
Nas três estruturas, as ligações covalentes são as interações
responsáveis pela morfologia das redes, no entanto, outras interações devem ser
consideradas tais como: ligações de hidrogênio, interações iônicas, bem como
interações hidrofóbicas entre as unidades acetiladas da quitosana [D’ Agostini,
2009].
A copolimerização por enxertia é uma técnica muito atrativa para a
modificação da quitosana, uma vez que a incorporação desses grupos influencia as
suas propriedades físicas, químicas, mecânicas e reológicas, aumentando sua
possibilidade de uso como biomaterial [D’Agostini, 2009; Silva, 2006]. Outra
17
característica importante desse método é que a biocompatibilidade e
biodegradabilidade da quitosana são mantidas [Ferreira e col., 2006].
A quitosana possui grupos reativos amino (na posição C2), na unidade
desacetilada e hidroxila (nas posições C3 e C6), nas unidades acetiladas e
desacetiladas, que possibilitam facilmente sua modificação por reações de enxertia
[Casimiro e col., 2005]. A reação de copolimerização normalmente é iniciada com a
formação de radicais livres na estrutura do biopolímero. A geração dos radicais
pode ser alcançada por reagentes que atuam como iniciador químico (Tabela 3)
[Prashanth e Tharanathan, 2003].
TABELA 3. DIFERENTES REAGENTES INICIADORES QUÍMICOS PARA COPOLIMERIZAÇÃO VIA RADICAL DE MONÔMEROS ACRÍLICOS NA QUITOSANA. (Fonte: Mourya e Inamdar, 2008).
Iniciador Monômeros enxertados
Nitrato de amônio cérico
(NH4)2Ce(NO3)6
Ácido acrílico, acrilamida, metilmetacrilato,
acetato vinílico, N-isopropil acrilamida.
Persulfato de potássio
K2S2O8
Ácido acrílico, acrilonitrila, metilmetacrilato,
Acrilamida, ácido maleico.
Persulfato de amônia
(NH4)2S2O8 Ácido metacrílico, ácido maleico,
acrilamida.
As propriedades químicas da estrutura enxertada resultante são
largamente controladas pelas características das cadeias laterais como: estrutura
molecular, comprimento e número de cadeias [D’ Agostini, 2009]. Uma série de
estudos tem sido voltada à influência dessas variáveis sobre as propriedades da
quitosana após a enxertia. Segundo Mourya e Inamdar [2008], a porcentagem e
eficiência do enxerto são influenciadas pelo tipo e concentração do iniciador
químico, concentração do monômero e do biopolímero, além da temperatura e do
tempo de reação.
Apesar de a quitosana apresentar potencial para aplicabilidade em
diversas áreas, os materiais à base deste biopolímero são normalmente muito
frágeis. A enxertia de monômeros vinílicos e acrílicos na cadeia lateral da quitosana
18
origina copolímeros com propriedades físicas e mecânicas desejáveis tais como:
absorção de água, solubilidade e dureza, sem comprometer sua biodegradabilidade
e biocompatibilidade [Jianghua e col., 2007]. Segundo Don e col. [2002 b], a enxertia
de poli(acetato de vinila) na cadeia lateral da quitosana tende a melhorar a
resistência dos materiais à base do copolímero.
A principal característica dos derivados de acrilato é a presença de
grupos hidrofílicos, como hidroxila e carboxila que conferem considerável
capacidade de absorção ao copolímero resultante. O ácido acrílico (Figura 12), um
monômero facilmente polimerizado em um polímero de alta massa molar, vem sendo
usado em enxertia com a quitina [Tanodekaew e col., 2004; Angspatt e col., 2010] e
quitosana [Athawale e col., 2001; Don e col., 2002 a; Lee e col., 2005; Santos e col.,
2006] para obtenção de novos biomateriais tais como: bioadesivos, curativos e
superabsorventes, em virtude de sua biocompatibilidade e do melhoramento da
propriedade de retenção de água.
FIGURA 12. ESTRUTURA DO ÁCIDO ACRÍLICO.
A capacidade de absorção de água é uma propriedade essencial de um
material para a aplicação como curativos. Feridas abertas normalmente secretam
uma grande quantidade de exsudato e esse excesso de líquido leva ao surgimento
de infecções [Tanodekaew e col., 2004]. Leitinho [2006] comenta que hidrogéis de
ácido acrílico ou de derivados de acrilato têm capacidade de absorver grande
quantidade de fluido biológico. Outra vantagem ao aumentar a hidrofilicidade desses
materiais está relacionada à melhoria na fixação, crescimento e migração de
fibroblastos dérmicos no local do ferimento, essenciais no processo de cicatrização
[Tanodekaew e col., 2004]. Além disso, esses curativos devem ter ação
antibacteriana para proteger o ferimento de infecções. O poli(ácido acrílico) é
biocompatível e tem propriedades antibacterianas [Ferreira e col., 2006; Santos e
col., 2006].
19
1.5.1 Copolimerização por enxertia de ácido acrílico em quitosana
A reação de copolimerização por enxertia é geralmente realizada pela
presença de radicais livres na cadeia do polímero, que podem ser gerados por
radiação ou por iniciação química. A principal desvantagem do primeiro é a
formação de homopolímeros, uma vez que a luz UV gera radicais livres diretamente
no monômero aumentando a homopolimerização. Já o iniciador químico produz
radicais em sítios específicos, contribuindo para a maior eficiência da enxertia
[Zohuriaan-Mehr, 2005]. A Figura 13 ilustra a estrutura do copolímero quitosana-
graft-acrilato de sódio.
FIGURA 13. ESTRUTURA DO COPOLÍMERO QUITOSANA-g-ACRILATO DE SÓDIO.
A polimerização em cadeia via radical livre acontece através de três
etapas. A Figura 14 apresenta um esquema representativo dessas etapas, usando o
persulfato de potássio (KPS) como iniciador, o ácido acrílico como monômero
enxertado e a quitosana como matriz polimérica.
A primeira etapa é denominada iniciação. O KPS em solução aquosa sob
aquecimento se decompõe em radicais íon sulfato (SO•4-). Esses radicais podem
reagir com água para produzir radicais (•OH) que posteriormente reagem formando
radicais na quitosana. Essa etapa é a mais lenta e requer toda a energia fornecida à
reação para decompor o iniciador. O radical ativo ataca a dupla ligação do
monômero e transfere o centro ativo para dar início à polimerização [Leitinho, 2006;
Yazdani-Pedram e col., 2000].
20
FIGURA 14. ESQUEMA REPRESENTATIVO DE REAÇÃO EM CADEIA ONDE QT REPRESENTA A QUITOSANA E R REPRESENTA (QT -NH ). (Fonte: Adaptado de Prashanth e Tharanathan [2003]).
A segunda etapa denominada propagação é baseada na formação de
radicais primários. O crescimento da cadeia ocorre com transferência do centro ativo
de monômero para monômero. A reação se processa até que os radicais parem de
ser produzidos, que ocorre quando as ligações duplas carbono-carbono são
consumidas. Na última etapa, denominada terminação, o acoplamento ou
combinação de dois radicais provoca a desativação do centro ativo levando à
interrupção da polimerização [Ghosh e Das, 2000; Leitinho, 2006].
Tentativas de preparar nanocompósitos combinando quitosana e
nanopartículas de prata têm sido relatadas [Dongwei e col., 2009; Lu e col., 2008;
Vimala e col., 2010]. A enxertia de ácido acrílico ou acrilato de sódio na quitosana é
um método efetivo para melhorar propriedades tais como absorção de água, sem
sacrificar sua natureza bioativa e biodegradável.
H2C CH
COOH
R H2C CH CH2 CH
COOHCOOHn-1
+ nH2C CH
COOH
QT NH
R H2C CH CH2 CH
COOHCOOHn-1
R CH2CH CH CH2
HOOCHOOCn-1
+
R H2C CH CH2 CH
COOHn-1
R CH2CH CH CH2
HOOCn-1
HOOC COOH
S2O82- 2SO4
SO4 + H2O OH + HSO4
Iniciação
OH + QT NH2 H2O + QT NH
H2C CH
COOH
H2C CH
COOH
+ QT NHNH
QT
Propagação
Terminação
21
A utilização de membranas de quitosana-graft-acrilato de sódio como
matriz para a formação de nanopartículas de prata surge como uma nova
metodologia para a síntese de nanopartículas metálicas. Representa uma
possibilidade de aplicação desse material em bandagens e curativos dermatológicos
já que reúne as propriedades antibacteriana e cicatrizante da quitosana,
nanopartículas de prata e de absorção do poli(acrilato de sódio). Nesse sentido, a
presente proposta é preparar e caracterizar membranas de quitosana-g-acrilato de
sódio incorporadas com nanopartículas de prata com capacidade de retenção de
líquido e ação bactericida adequadas à sua utilização como curativo.
22
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
O objetivo deste trabalho foi preparar membranas do copolímero
quitosana-g-acrilato de sódio, incorporar nanopartículas de prata em sua estrutura e
caracterizá-las com interesse no estudo desse material como possível aplicação
como curativo dermatológico.
2.2 Objetivos específicos
Sintetizar o copolímero de quitosana e acrilato de sódio por meio de reação
de copolimerização por enxertia.
Caracterizar estruturalmente o copolímero quitosana-g-acrilato de sódio por
meio das técnicas de espectroscopia de absorção na região do infravermelho
(FTIR), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria exploratória diferencial
(DSC), análise elementar e microscopia eletrônica de varredura (MEV).
Preparar membranas com o copolímero e estudar a sua capacidade de
absorção de água.
Sintetizar nanopartículas de prata nas membranas do copolímero por método
de redução com boroidreto de sódio e caracterizá-las por Espectrofotometria
na região do Ultravioleta-Visível (UV-Vis).
Estudar a capacidade de absorção de água das membranas do copolímero
com nanopartículas de prata.
Avaliar a atividade antibacteriana das membranas.
23
3 EXPERIMENTAL
3.1 Materiais
Quitosana em pó, de massa molar 4,6 x 105 g.mol-1 e grau de
desacetilação 81%, obtida por desacetilação da quitina de camarão (Pandelus
borealis) foi fornecida pela Polymar Ind. Comp. Imp. Ltda Ciência e Nutrição S/A
(Fortaleza, Ceará – Brasil).
O ácido acrílico (C3H4O2) e o iniciador persulfato de potássio (K2S2O8)
foram oriundos da SIGMA-ALDRICH. Nitrato de prata (AgNO3) (Vetec), boroidreto de
sódio (NaBH4) (Vetec), ácido acético (C2H4O2) (Synth) e hidróxido de sódio (NaOH)
(Synth) e os outros reagentes foram utilizados sem purificação adicional.
3.2 Reação de copolimerização
O copolímero quitosana-g-acrilato de sódio foi sintetizado com base no
procedimento experimental descrito por Liu e col., [2007]. A quitosana em pó foi
dissolvida em solução aquosa de ácido acético (1%) (m/v), sob agitação constante
durante 24 h, de modo a obter uma solução de 3% (m/v) do polímero. Após esse
período a solução foi filtrada, em funil de placa sinterizada (no 1), para remoção de
material particulado insolúvel e agregados macroscópicos.
A reação de enxertia do ácido acrílico em quitosana foi conduzida sob
fluxo continuo de gás nitrogênio, utilizando persulfato de potássio (KPS) como
iniciador. O KPS foi adicionado à solução de quitosana e a mistura aquecida a 40 °C
por 15 minutos. Então o monômero foi adicionado e o sistema mantido sob agitação
a temperatura constante por 3 h. A seguir a temperatura foi elevada para 70 °C por 1
h. O produto da reação foi precipitado com 60 mL de NaOH (1mol.L-1), centrifugado
a 9000 rpm por 10 minutos e, em seguida, lavado com água destilada para remover
o homopolímero de acrilato de sódio. O produto quitosana-g-acrilato de sódio foi
seco a temperatura ambiente até massa constante. O produto foi pesado para
cálculo do rendimento. A polimerização do poli(acrilato de sódio) (PNaAc) foi
realizada utilizando-se as mesmas condições da reação de enxertia, com as
mesmas concentração de ácido acrílico e de persulfato de potássio.
24
A porcentagem teórica de enxertia (%G) foi calculada de acordo com Jing
e col. [2009], como mostrado na Equação 1. As condições reacionais são mostradas
na Tabela 4.
(1)
TABELA 4. CONDIÇÕES REACIONAIS DA SÍNTESE DO COPOLÍMERO QUITOSANA-g-ACRILATO DE SÓDIO.
Quitosana Ácido acético
K2S2O8 Ácido acrílico Temperatura (°C)
mmol g mL g mmol g mL 3 h 1 h
2,26 6,0 200 0,667 1,53 1,47 1,4 40 70
3.3 Preparação das membranas copoliméricas de quitosana-g-acrilato de sódio
O material seco foi dissolvido em ácido acético 1% (v/v), de forma a obter
uma solução de 3% (m/v) do copolímero. A solução resultante foi então filtrada em
funil de placa sinterizada com tamanho de poro (no 1). As membranas de quitosana-
g-acrilato de sódio foram preparadas adicionando-se 20 mL de solução em placas
de Petri de 10 cm de diâmetro e deixadas por 5 dias à temperatura ambiente para
completa evaporação do solvente. Para a remoção das membranas das placas de
Petri, elas foram cortadas em quatro partes iguais, cada placa coberta com 20 mL de
solução de NaOH 0,25 mol.L-1 por 10 minutos e as membranas lavadas com água
destilada até pH 7.
3.4 Incorporação das nanopartículas de prata
As membranas foram dispostas em placas de Petri e em cada placa foram
adicionados 20 mL de solução de nitrato de prata (AgNO3) e deixadas por duas
horas à temperatura ambiente, protegidas da luz. Posteriormente, as membranas
foram imersas em 20 mL de solução de boroidreto de sódio (NaBH4) e deixadas
durante a noite à temperatura ambiente, protegidas da luz. Após esse tempo, as
100original quitosana de massa
adicionado acrílico ácido de massa% G
25
membranas foram lavadas com água destilada para retirar o excesso de boroidreto.
As concentrações das soluções de AgNO3 e NaBH4 estão dispostas na Tabela 5.
TABELA 5. CONCENTRAÇÃO DAS SOLUÇÕES DE AgNO3 E NaBH4.
Membranas Concentração (mmol.L-1)
AgNO3 NaBH4
QT-g-NaAc 0 0 Ag 2/40 2,0 40
Ag 5/100 5,0 100 Ag 10/ 200 10 200
3.5 Caracterização do copolímero
3.5.1 Espectroscopia de absorção na região do infravermelho
Os espectros de absorção na região do infravermelho foram obtidos em
espectrômetro FT-IR da Shimadzu FTIR – 8500, operando na faixa de 400 - 4000
cm-1 com as amostras na forma de filme, obtido por evaporação do solvente da
solução do copolímero (3%) em ácido acético (1%) em superfície de vidro.
3.5.2 Análise térmica
O comportamento térmico das amostras foi analisado em equipamento
Shimadzu TGA-Q50 da TA Instruments com fluxo de ar sintético de 60 cm3/min. As
curvas termogravimétricas foram obtidas utilizando massa de 10 mg, taxa de
aquecimento de 10°C/min, uma faixa de temperatura de 30 a 900°C, utilizando
cadinho de platina. As curvas de calorimetria exploratória diferencial foram obtidas
em equipamento DSC-Q500 da TA Instruments, sob atmosfera de N2 com fluxo a 50
cm3/min. As amostras de 5 mg foram submetidas à temperatura na faixa de 30 a
500°C, utilizando taxa de aquecimento de 10°C/min e cadinho de alumínio.
26
3.5.3 Análise elementar
A análise elementar de carbono, hidrogênio e nitrogênio do copolímero foi
realizada utilizando um microanalisador Carlo ERBA EA 1108 no Instituto de
Química da USP.
3.5.4 Experimentos de intumescimento
Um procedimento gravimétrico convencional foi utilizado para estudar os
parâmetros de intumescimento das membranas. Para a pesagem das membranas
foi utilizada uma balança analítica modelo FA2104N de quatro casas decimais. As
amostras secas à temperatura ambiente foram pesadas e então imersas em água
destilada. Em intervalos de 2 e 24 horas as membranas foram retiradas da água, e a
superfície seca sob compressão de duas folhas de papel de filtro por alguns
segundos, e imediatamente pesadas e colocadas novamente na água. Os ensaios
foram realizados em triplicata. A capacidade de intumescimento das amostras (W)
foi calculada de acordo com a Equação 2, onde mhidratada e mdesidratada correspondem,
respectivamente, à massa da membrana intumescida e seca.
m hidratada – m desidratada W (%) = * 100 m desidratada
3.5.5 Espessura das membranas
A espessura das membranas foi determinada pela utilização de
micrômetro (Digimess, modelo 110.200 com precisão de 0,01 mm), através de
medições em quatro diferentes pontos ao longo da extensão da membrana. Os
valores médios das espessuras foram calculados. As medidas foram realizadas em
triplicata. Quando as membranas intumescem, observou-se um aumento na área
superficial, razão pela qual o raio das membranas nessa condição foi medido
utilizando-se um paquímetro digital.
(2)
27
3.6 Caracterização das membranas com nanopartículas de prata
3.6.1 Espectroscopia de absorção na região do Ultravioleta-Visível (UV-Vis)
Os espectros de UV-Vis foram obtidos usando um espectrofotômetro
Shimadzu, modelo UV-1800, em intervalo de 300 a 700 nm utilizando uma célula de
quartzo de 1 cm de caminho óptico. As amostras para análise de UV-Vis foram
obtidas a partir da diluição das membranas em solução de ácido acético 1% (v/v)
protegidas da luz. As soluções foram preparadas nas concentrações de 0,4% (m/v)
para as membranas QT, QT-g-NaAc; 0,1% para Ag 2/40; 0,05% para Ag 5/100 e
0,025% para Ag 10/ 200.
3.6.2 Microscopia eletrônica de varredura (MEV)
O estudo morfológico das membranas de QT, QT-g-NaAc e QT-g-
NaAc/Ag foi realizado através de um equipamento de microscopia eletrônica de
varredura da PHILIPS modelo HOLANDA XL 30, acoplado ao sistema de ligação
3.34 séries 300 com detector Si (Li). As amostras foram intumescidas em água
destilada à temperatura ambiente por cerca de 15 minutos, em seguida congeladas,
fraturadas e liofilizadas. As membranas foram montadas sobre fita de carbono
dispostas em suporte de vidro e recobertas com platina.
3.6.3 Atividade antibacteriana
O efeito das nanopartículas de prata imobilizadas em membranas de
quitosana-g-acrilato de sódio no crescimento bacteriano foi avaliado de acordo com
a metodologia de Bauer e col. [1966] com modificações. As cepas bacterianas
Staphylococcus aureus ATCC 25923 e Pseudomonas aeruginosa ATCC 25619
foram cultivadas em meio Agar Müller-Hinton Agar (Difco) por 24 h a 37ºC. Uma
colônia de cada cultura foi inoculada em caldos Triptona Glucose Extrato de
Levedura (TGE). As culturas foram incubadas por 18 h a 37ºC e, posteriormente,
ajustadas para absorbância 0,1±0,02 a 600 nm. Em seguida, as mesmas foram
estriadas utilizando swabs estéreis na superfície de placas contendo Agar Müller-
Hinton Agar (Difco). Membranas de QT-g-NaAc com nanopartículas de prata
28
imobilizadas nas concentrações 2/40, 5/100 e 10/200 mmol.L-1, foram recortadas em
círculos de 7 mm de diâmetro, após intumescidas em água destilada, e estão
mostradas na Figura 15. Posteriormente, foram umedecidas com 30 µL de água
estéril e adicionadas na superfície das placas com meio. As placas foram incubadas
por 24 h a 37ºC e analisadas em relação à presença de halos de inibição ao redor
de cada membrana. Também foram utilizados discos comerciais contendo 10 g do
antibiótico Gentamicina e membranas de quitosana sem nanopartículas de prata
como controles positivo e negativo, respectivamente. Todos os experimentos foram
realizados em triplicatas.
FIGURA 15. AMOSTRAS DAS MEMBRANAS QT-g-NaAc, Ag 2/40, Ag 5/100 e Ag 10/200.
29
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Síntese do copolímero
O copolímero quitosana-g-acrilato de sódio formado por enxertia de
cadeias de ácido acrílico em quitosana foi obtido através de polimerização radicalar
usando persulfato de potássio (KPS) como iniciador. A precipitação do produto com
NaOH neutralizou o ácido, transformando o copolímero em quitosana-g-acrilato de
sódio.
A reação de copolimerização foi realizada em um intervalo de tempo de 4
horas. A primeira etapa da reação é a mais lenta e requer toda a energia fornecida à
reação para decompor o iniciador e transferir o centro ativo para dar início à
polimerização. Segundo Liu e col. [2006], o aumento da temperatura favorece a
ativação de macrorradicais, bem como acelera a difusão e mobilidade dos
monômeros da fase aquosa para a cadeia lateral da quitosana.
Após um intervalo de tempo de 3 h mantendo a temperatura da reação de
copolimerização em 40 °C, a temperatura foi elevada a 70 °C até o término da
reação. Segundo Yazdani-Pedram e col. [2000], a máxima eficiência da enxertia é
atingida a 70 °C. Aumentos adicionais de temperatura diminuem a eficiência da
reação. Isso pode ser atribuído tanto à aceleração da reação de terminação quanto
ao aumento da possibilidade de ocorrer reação de transferência de cadeia, o que
acarreta no aumento da quantidade de homopolímero formado.
O rendimento da reação foi de 55,2%. A porcentagem teórica de enxertia
(%G) foi de 49%. Os parâmetros são mostrados na Tabela 6.
TABELA 6. PARÂMETROS DA REAÇÃO DE COPOLIMERIZAÇÃO.
Parâmetros da reação
Rendimento %G
55,2% 49%
A partir do produto reacional foram obtidos filmes como mostrados na
Figura 16. As amostras quando intumescidas apresentaram um aspecto maleável,
no entanto quando secas tornaram-se rígidas.
30
FIGURA 16. ILUSTRAÇÃO DAS MEMBRANAS DE QUITOSANA-g-ACRILATO DE SÓDIO (a) INTUMESCIDA E (b) SECA À TEMPERATURA AMBIENTE.
4.2 Caracterização do copolímero
4.2.1 Análise elementar
As porcentagens de carbono, hidrogênio e nitrogênio obtidas a partir de
análise elementar da quitosana, copolímero QT-g-NaAc e nanocompósito QT-g-
NaAc/Ag são mostradas na Tabela 7. A diferença entre os valores experimentais e
teóricos calculados foi próxima de 18% e de 6% para QT e QT-g-NaAc,
respectivamente. A diminuição do percentual de nitrogênio experimental observada
após a enxertia de acrilato de sódio é condizente com a diminuição do percentual de
nitrogênio teórico, comprovando a formação do copolímero.
TABELA 7. DADOS DE ANÁLISE ELEMENTAR PARA A QUITOSANA E COPOLÍMERO.
Amostra %C %H %N C+H+N N/C (%)
Valor Teórico de N (%)
QT 38,54 6,75 6,77 52,06 0,176 8
QT-g-NaAc 35,55 6,42 5,49 47,46 0,154 5,8
QT-g-NaAc/Ag 2/40 36,21 6,72 5,91 48,84 0,163 -
QT-g-NaAc/Ag 5/100 35,38 6,73 5,68 47,79 0,161 -
QT-g-NaAc/Ag 10/200 32,17 5,88 5,21 43,26 0,162 -
Para os nanocompósitos QT-g-NaAc/Ag 2/40, 5/100 e 10/200 obteve-se
um valor médio de 0,162 ± 0,001 para a razão N/C. Observou-se também que houve
uma diminuição na composição percentual de carbono, hidrogênio e nitrogênio nos
a b
31
nanocompósitos, explicado pela presença da prata. A quantidade de acrilato de
sódio no copolímero foi calculada baseada na % de nitrogênio. QT-g-NaAc contêm
cerca de 48% de acrilato de sódio. Esse resultado indica que a % experimental de
grafting (%Gexp) é 92%, bem diferente do valor teórico. Considerando o rendimento
da reação, foram perdidas 1,82 g de quitosana e 0,74 g de NaAc.
4.2.2 Espectroscopia de absorção na região do infravermelho
A análise por espectroscopia na região do infravermelho permite
identificar frequências relativas a vibrações normais moleculares de grupos
funcionais presentes em um composto. Os estudos de infravermelho foram
conduzidos para investigar a formação do copolímero de quitosana e acrilato de
sódio. A Figura 17 representa os espectros de FTIR da quitosana pura (QT), do
poli(acrilato de sódio) (PNaAc), do copolímero quitosana-acrilato de sódio (QT-g-
NaAc) e nanocompósito QT-g-NaAc/Ag. A Tabela 8 apresenta as absorções
características da quitosana, poli(acrilato de sódio) e da quitosana-g-acrilato de
sódio, respectivamente.
O espectro 17a mostra as bandas de absorção características da
quitosana. As principais bandas aparecem em 3367 e 3305 cm-1, características de
estiramentos O-H e N-H; em 2921 e 2877 cm-1 referentes aos estiramentos
assimétricos e simétricos C-H de grupamentos alquila, respectivamente; em 1654
cm-1 associada ao estiramento C=O de amina e 1560 cm-1 atribuídas à deformação
angular de N-H; e em 1153, 1078 e 1033 cm-1, referentes aos estiramentos
assimétricos das ligações C-O-C e C-C-O, respectivamente.
No espectro 17b, referente ao poli(acrilato de sódio), as bandas de
absorção em 1562 e 1415 cm-1 são atribuídas, respectivamente, aos estiramentos C-
O assimétrico e simétrico do ânion carboxilato. A banda que aparece em 1137 cm-1
é associada ao estiramento C-O.
32
FIGURA 17. ESPECTROS NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO DA QUITOSANA (a), POLI(ACRILATO DE SÓDIO (b), QT-g-NaAc (c) E QT-g-NaAc/Ag 10/ 200 (d).
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Abs
Número de onda (cm-1)
a
b
c
d
33
Algumas diferenças podem ser observadas no espectro do copolímero
(17c) comparado ao da quitosana. As bandas intensificadas em 1560 cm-1 e em
1409 cm-1 confirmam a enxertia do carboxilato de sódio na quitosana.
O espectro do copolímero QT-g-NaAc foi investigado por Liu e col. [2006]
e observaram bandas intensas em 1571 e 1409 cm-1 que foram associadas à
absorção do carboxilato de sódio. Liu e col. [2007] observaram essas bandas em
1558 e 1404 cm-1.
A banda que aparece em 1324 cm-1 é referente ao estiramento C-O de
acrilatos. O espectro do ácido acrílico foi investigado por Nimesh e col. [2006] que
observaram uma banda intensa em 992 cm-1 correspondente à deformação C-H
vinílico fora do plano. A inexistência desta banda no espectro da QT-g-NaAc indica
que não restaram monômeros livres e ocorreu a reação de copolimerização.
O espectro 15d mostra as bandas de absorção do nanocompósito QT-g-
NaAc/Ag. Pode-se perceber que houve um alargamento da banda de estiramento O-
H, além de uma discreta diminuição das intensidades das bandas em 1560 e 1409
cm-1. Possivelmente, essas modificações ocorrem devido à coordenação da prata
aos grupos OH e COO- ricos em elétrons. Dongwei e col. [2009] sugerem que a
ligação da prata aos átomos de oxigênio reduz a intensidade das vibrações das
ligações, devido ao aumento da massa molecular.
Segundo Rasika e Bajpai [2010], a interação com a prata provoca um
aumento no comprimento da ligação, levando a uma mudança na frequência da
absorção. Esses deslocamentos não foram observados para o nanocompósito QT-g-
NaAc/Ag.
33
TABELA 8. ABSORÇÕES CARACTERÍSTICAS DA QUITOSANA, POLI(ACRILATO DE SÓDIO) E QUITOSANA-g-ACRILATO DE SÓDIO. (Fonte: Barbosa, 2007; Siverstein, 2007).
Quitosana PNaAc QT-g-NaAc QT-g-NaAc/Ag
Número de onda (cm-1)
Modo vibracional Número de onda (cm-1)
Modo vibracional Número de onda (cm-1)
Número de onda (cm-1)
Modo vibracional
3367 e 3305
(O-H), (N-H) 3433 (O-H) 3361 e 3290 3359 (O-H)
2921 e 2877
as (C-H), s (C-H) 2956 (C-H), (O-H) 2931 e 2889 2925 e 2887 (C-H)
1654 (C=O Amida I)
1637 1650 (N-H)
1560 (N-H Amida II) 1562 as (COO-) 1560 1558 as (COO-)
1413 (CH2), (CH3) 1415 s (COO-) 1409 1409 s (COO-)
1379 (O-H) 1137 (C-O) 1324 1324 (C-O)
1317 (C-N) (primário)
1153 as (C-O-C) 1153 1153 as (C-O-C)
1078 e 1033
as (C-C-O) 1074 e 1031 1089 e 1037 as (C-C-O)
617 (O-H) 615 653 (O-H)
34
4.2.3 Análise termogravimétrica (TGA)
O principal uso da análise termogravimétrica na caracterização de
materiais poliméricos está no estudo da estabilidade e decomposição térmica dos
mesmos. Supondo-se que a degradação térmica da membrana composta apenas
por quitosana e aquela composta pelo copolímero pudesse apresentar
comportamentos diferenciados, foram obtidas curvas termogravimétricas (TG) do
poliacrilato de sódio, membrana QT e membrana QT-g-NaAc. Para uma precisa
identificação da quantidade de eventos térmicos e as respectivas temperaturas
máximas de cada evento, também foram obtidas curvas termogravimétricas
derivadas (DTG) de cada amostra, como mostrado na Figura 18.
O primeiro evento de perda de massa em todas as amostras se deve à
perda de umidade, que geralmente ocorre antes de 100 oC. O percentual de
umidade das amostras varia entre 11,0 e 13,1%. O resíduo final obtido em 800 oC
(Tabela 9) foi 0,2, 2,0 e 4,9% para as amostras QT, QT-g-NaAc e PNaAc,
respectivamente. A amostra QT-g-NaAc apresentou resíduo final superior ao da
amostra QT, explicado pela presença de sódio. A maior quantidade de resíduo
obtida para o poli(acrilato de sódio) é esperada com base na grande quantidade de
íons sódio.
O poli(acrilato de sódio) apresenta 3 estágios de decomposição térmica
segundo Dubinsky e col. [2004]. Chuang e col. [2008] mostraram que este polímero
é estável até 200 oC e se decompõe acima dessa temperatura. A curva
termogravimétrica da amostra PNaAc (Figura 18a) mostrou cinco eventos de
decomposição térmica, no intervalo de 199 a 701 oC, com temperaturas máximas de
229, 389, 417, 676 e 692 oC. A perda de massa foi de 79% e está associada à
decomposição dos grupos carboxilato e ruptura das cadeias do poli(acrilato de
sódio).
A decomposição de polissacarídeos geralmente inicia-se a temperatura
superior a 200 oC. Como visto na Figura 18b, a curva termogravimétrica da
quitosana exibe um comportamento típico para esse polissacarídeo, apresentando
dois estágios distintos de decomposição térmica em atmosfera de ar sintético. A
perda de umidade foi de 13,1% para a membrana de quitosana. De acordo com
Lima [2006], essa perda está relacionada à saída de moléculas de água que
35
estariam associadas aos grupos amino e hidroxila deste polissacarídeo, através de
ligações de hidrogênio.
FIGURA 18. CURVAS TG E DTG EM ATMOSFERA DE AR SINTÉTICO PARA AMOSTRAS DE PNaAc (a), QT (b) E QT-g-NaAc (c).
O primeiro estágio de decomposição térmica da quitosana inicia-se a 272 oC e vai até cerca de 306 oC, com temperatura máxima obtida pela DTG, em torno
de 291 oC, correspondendo a uma perda de massa de 32%. O segundo estágio tem
início próximo a 500 oC indo até 558 oC, com temperatura máxima em 558 oC e
perda de massa de 37% (Tabela 12).
Estão envolvidos no primeiro estágio de perda de massa, processos como
a desidratação, depolimerização e decomposição pirolítica, as quais resultam em
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
20
40
60
80
100
-3
-2
-1
0 DT
G
b
% m
as
sa
Temperatura (oC)
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
20
40
60
80
100
-3
-2
-1
0
DT
G
c
% m
as
sa
Temperatura (oC )
100 200 300 400 500 600 700 8000
20
40
60
80
100
-1,5
-1,0
-0,5
0,0 DT
G
% m
as
sa
Temperatura (oC )
a
36
compostos mais simples como a água, o dióxido de carbono, o metano e a amônia
[Dallan, 2005]. O segundo é resultado da carbonização [Liu e col., 2006].
O comportamento térmico do copolímero de QT-g-NaAc é semelhante ao
observado para a QT e diferente do observado para o PNaAc. Pode-se observar na
Figura 18c, dois eventos de decomposição. O primeiro evento de decomposição
térmica do copolímero tem início próximo a 254 oC e vai até 300 oC, com
temperatura máxima em torno de 277 oC, com 27% de perda de massa. Este se
refere à desacetilação da quitosana, juntamente com a desidratação e
descarboxilação do poli(acrilato de sódio). O segundo evento inicia-se a 495 oC e
estende-se até 577 oC, com temperatura máxima em 541 oC e 35% de perda de
massa, e envolve a cisão aleatória de cadeias da quitosana e do poli(acrilato de
sódio) além da destruição da estrutura da rede de ligações cruzadas [Chuang e col.,
2008; Liu e col., 2007; Shantha e col., 1995; Zhang e col., 2007]. A perda de
umidade foi de 13% para a membrana QT-g-NaAc.
TABELA 9. PARÂMETROS TERMOGRAVIMÉTRICOS DA QT, PNaAc E QT-g-NaAc.
Amostras Tmax nos eventos (°C) Umidade (%)
Resíduo em
800°C (%)
IPDT (%)
I II III IV V
Quitosana 291 554 - - - 13,1 0,2 349
PNaAc 229 389 417 676 692 11,0 4,9 362
QT-g-NaAc 277 541 - - - 13,0 2,0 359
IPDT-(Integral procedural decomposition temperature). Tmax: Temperatura na qual ocorre o máximo de perda de massa.
O perfil termogravimétrico é semelhante para as membranas QT e QT-g-
NaAc, no entanto, pode-se observar que nos dois estágios de decomposição térmica
há uma redução no percentual de perda de massa da membrana QT-g-NaAc em
relação à membrana QT. Isso sugere que a reação de copolimerização por enxertia
do acrilato de sódio promoveu alguma mudança no comportamento
termogravimétrico da quitosana.
O valor da temperatura de decomposição correspondente a 50% do total
de perda de massa até 800 oC (IPDT) [Rodrigues, 2011], foi avaliado para a
quitosana, poli(acrilato de sódio) e copolímero afim de avaliar a estabilidade térmica
37
desses materiais. O IPDT obtido para o copolímero (359 oC) foi superior ao obtido
para a QT (349 oC). Isso sugere que a enxertia de cadeias de PNaAc aumenta a
estabilidade térmica da quitosana, provavelmente devido às interações entre os
grupos amino da quitosana e grupos carboxilato do acrilato de sódio, que tornam o
material mais resistente.
4.2.4 Calorimetria exploratória diferencial (DSC)
A calorimetria exploratória diferencial é uma técnica de análise térmica
bastante utilizada para a obtenção de informações sobre as temperaturas de
transição dos materiais. As curvas de DSC para as amostras PNaAc (a), membrana
QT (b) e membrana QT-g-NaAc são mostradas na Figura 19.
FIGURA 19. CURVAS DSC PARA AMOSTRAS DE PNaAc (a), QT (b) E QT-g-NaAc (c).
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
En
do
b
Ex
o
Temperatura (oC)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
c
Ex
oE
nd
o
Temperatura (oC)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
a
Ex
oE
nd
o
Temperatura (oC)
38
Como pode ser visto na Figura 19a, o poli(acrilato de sódio) mostra três
picos endotérmicos: em 74, 221 e 235 oC, que podem ser atribuídos à perda de
água, decomposição dos grupos carboxilato, e à fusão respectivamente. Ocorre,
também, um pico exotérmico em 412 oC (Tabela 10).
A quitosana (Figura 19b) apresenta um pico endotérmico em 64 oC,
devido à perda de água e um pico exotérmico em 299 oC que pode corresponder à
decomposição do polissacarídeo. Shantha e col. [1995] observaram esse evento a
295 oC. Após a modificação da quitosana por enxertia do poli(acrilato de sódio), o
material resultante QT-g-NaAc (Figura 19c) apresenta curva de DSC semelhante à
da quitosana, exibindo pico endotérmico em 55 oC, devido à perda de água, e um
exotérmico em 294 oC, que pode ser atribuído à decomposição da quitosana
[Chuang e col., 2008]. O copolímero também apresenta um discreto pico exotérmico
em 353 oC, que é semelhante ao pico exotérmico para o PNaAc, associado à
decomposição do poli(acrilato de sódio) na cadeia lateral da quitosana. Shantha e
col. [1995] observaram esses picos exotérmicos para QT-g-NaAc em 272 e 473 oC,
respectivamente.
A temperatura de transição vítrea (Tg) de um material pode ser visualizada
por uma mudança na linha base, comportamento este não observado em nenhuma
das condições analisadas, uma vez que a presença de água nas amostras interfere
na visualização da Tg. Segundo Dallan [2005], a temperatura de transição vítrea de
membrana de quitosana obtida por DSC é de 52,2 oC.
A maior semelhança entre a curva de DSC do copolímero com a da
quitosana indica que a cadeia de acrilato de sódio enxertada deve ser pequena.
TABELA 10. PARÂMETROS TÉRMICOS OBTIDOS DAS CURVAS DE DSC.
Tpico nos eventos (oC)
PNaAc QT QT-g-NaAc
Endotérmico
I 74 63 55
II 221 - -
III 235 - -
Exotérmico I 412 300 294
II - - 353
39
4.2.5 Estudo de intumescimento
A hidrofilicidade de copolímeros é avaliada pelo estudo da sua
capacidade de absorção de água. O ganho de massa devido à absorção de água
pelas membranas de quitosana pura e quitosana-g-acrilato de sódio foi analisado a
partir de medidas do grau de intumescimento (W) em função do tempo de imersão
em água destilada. Os parâmetros de intumescimento obtidos estão mostrados na
Tabela 11.
TABELA 11. PARÂMETROS DE INTUMESCIMENTO PARA AS MEMBRANAS DE QT E QT-g-NaAc.
Amostra (membrana)
Intumescimento (%)
2 horas
QT 67,7±0,4
QT-g-NaAc 76,6±3,2
O estudo do efeito da enxertia de acrilato de sódio nas cadeias laterais da
quitosana, sobre a absorção de água do polímero foi feito a partir da comparação do
grau de intumescimento da membrana do copolímero QT-g-NaAc com a membrana
de quitosana.
Os valores de grau de intumescimento (W) médios, em 2 horas, obtidos
para a membrana do copolímero foi de 76,6% enquanto para a membrana de
quitosana foi de 67,7%. Esses valores demonstram que a membrana do copolímero
apresenta um grau de intumescimento 13% maior que o correspondente para a
membrana de quitosana. Também foram realizados estudos no intervalo de 24
horas, no entanto observou-se uma tendência de redução de intumescimento, em
ambas as membranas de quitosana e do copolímero. Isso pode ser um indício de
que o processo de absorção de água das membranas atinge um equilíbrio em um
intervalo de tempo inferior a 24 horas.
Ferreira e col. [2006] obtiveram membranas copoliméricas de quitosana e
acrilato de sódio como grau de intumescimento 40% maior que membranas de
quitosana pura. Esses resultados demonstram a eficiência da enxertia do monômero
acrílico na mudança de comportamento de intumescimento do material. No entanto,
40
a comparação direta dos resultados obtidos torna-se dificultada, uma vez que há
diferenças nas condições de preparo das membranas, principalmente no que se
refere à relação molar quitosana/acrilato empregada para a preparação das
mesmas.
O processo de intumescimento ocorre primariamente com a penetração
das moléculas de água na matriz polimérica por capilaridade e difusão. Assim, a
água é absorvida por grupos hidrofílicos como hidroxila, amino e carboxilato por
meio de ligações de hidrogênio [Silva, 2006].
Na quitosana há uma grande presença de grupos amino caracterizado por
ligações covalentes onde a eletronegatividade das ligações gera sítios de alta
polaridade, tornando favorável o rearranjo de moléculas assim como a água em
torno desses sítios [Fernandes, 2009]. A enxertia de monômeros acrílicos na cadeia
lateral da quitosana aumenta a hidrofilicidade do polímero e, consequentemente,
aumenta a capacidade de absorção de água [Liu e col., 2011].
Além disso, a presença dos íons carboxilato e Na+, decorrentes da
neutralização das cadeias de ácido acrílico com hidróxido de sódio, gera uma
diferença de pressão osmótica entre a rede polimérica e a solução externa,
aumentando a absorção de água. O aumento da massa molar da quitosana pela
enxertia de acrilato de sódio também contribui para a absorção de água [Liu e col.,
2007; Zhang e col., 2007].
Ferreira e col. [2006] analisaram a capacidade de absorção de água da
membrana de quitosana e observaram que após 2 horas, a porcentagem de
absorção de água foi de 57%. Segundo Clasen e col. [2006], as membranas de
quitosana pura apresentam desvantagens para o uso como curativo. Apesar de
apresentar propriedades hemostática, cicatrizante e antimicrobiana, as membranas
formadas unicamente de quitosana mostram permeabilidade insuficiente.
A capacidade de absorção de água de um biomaterial é uma propriedade
essencial para aplicação como curativo. A absorção é necessária para remover todo
o exsudato da ferida, ou seja, reter os fluidos excretados pela ferida para evitar a
sua acumulação e um possível risco de infecção. Além de contribuir para a
transferência de nutrientes e metabólitos [Fernandes, 2009].
A quantidade de água absorvida pela membrana do copolímero foi
suficientemente maior que a observada para a membrana de quitosana pura. Dessa
41
forma, a enxertia do acrilato de sódio nas cadeias laterais da quitosana melhora as
propriedades deste biomaterial para aplicação como curativo dermatológico.
O grau de intumescimento das membranas copoliméricas incorporadas
com prata estão mostrados na Tabela 12.
TABELA 12. PARÂMETROS DE INTUMESCIMENTO PARA AS MEMBRANAS DO NANOCOMPÓSITO QT-g-NaAc INCORPORADAS COM NANOPARTÍCULAS DE PRATA COM CONCENTRAÇÕES INICIAIS DE AgNO3 2, 5 E 10 mmol.L-1 E DE NaBH4 10, 100 E 200 mmol.L-1, RESPECTIVAMENTE.
Amostra (membrana)
Intumescimento (%)
2 horas
QT-g-NaAc/Ag 2/10 58,4
QT-g-NaAc/Ag 5/100 50,4
QT-g-NaAc/Ag 10/200 38,8
Como pode ser observado na Figura 20, a capacidade de intumescimento
de todas as membranas do nanocompósito foi significativamente inferior ao
observado para as membranas QT e QT-g-NaAc. Isso indica que a incorporação da
prata diminuiu a hidrofilicidade das cadeias do copolímero, reduzindo assim a
afinidade da membrana por água durante o intumescimento.
FIGURA 20. GRÁFICO COMPARATIVO DOS PERCENTUAIS DE INTUMESCIMENTO DAS MEMBRANAS DE QUITOSANA, COPOLÍMERO QT-g-NaAc E NANOCOMPÓSITO QT-g-NaAc/Ag.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Composição das membranas
% in
tim
es
cim
en
to
QT QT-g-NaAc QT-g-NaAc/Ag 2/40 QT-g-NaAc/Ag 5/100 QT-g-NaAc/Ag 10/200
42
Segundo Hoffman [2002], quando uma matriz polimérica seca começa a
absorver água, as primeiras moléculas a entrarem na matriz irão hidratar os grupos
hidrofílicos mais polares, conduzindo assim a uma ligação primária com a água.
Com a hidratação dos grupos polares, a rede polimérica sofre um intumescimento
que ocasiona a exposição de grupos hidrofóbicos, os quais irão forçar a
reorganização das moléculas de água presentes nas proximidades, levando a um
fenômeno de hidratação secundária. Em seguida, a rede polimérica é embebida de
moléculas adicionais de água em seus interstícios. Uma vez que a matriz polimérica
do copolímero quitosana-graft-acrilato de sódio é incorporada com nanopartículas de
prata, os interstícios encontram-se ocupados, dificultando a entrada de moléculas de
água adicionais e reduzindo, assim, a capacidade de absorção de água do
nanocompósito.
4.2.6 Espessura das membranas
A espessura nos estados seco e úmido das membranas QT e QT-g-NaAc
pode ser visualizada na Tabela 13.
TABELA 13. VALORES DA ESPESSURA DAS MEMBRANAS QT E QT-g-NaAc SECAS E HIDRATADAS EM ÁGUA DESTILADA E DO RAIO DAS MEMBRANAS INTUMESCIDAS.
Amostra Espessura média (µm) Raio (mm)
(membrana) Seca Intumescida % aumento Intumescida
QT 73,2 88,9 21,5 ± 4,5 46,2
QT-g-NaAc 60,7 71,3 17,4 ± 3,5 49,2
Considerando os resultados obtidos nos testes de intumescimento, uma
vez que as membranas do copolímero absorvem maior quantidade de água,
esperava-se que as medidas de espessura das mesmas, quando intumescidas,
fossem superiores quando comparadas com as medidas para as membranas de
quitosana pura. Por outro lado, o raio das membranas copoliméricas intumescidas é
consideravelmente maior em relação à membrana de quitosana (Figura 21).
43
Propõe-se que a diferença nas espessuras, ou seja, a maior espessura
observada para as membranas de quitosana deve-se ao empacotamento de suas
cadeias que ocorre devido à interação das unidades glucosaminas, provocando o
impedimento estérico que explica a menor absorção de água pelas membranas de
quitosana [Clasen e col., 2006]. Por outro lado, o maior tamanho do raio observado
para a membrana QT-g-NaAc (49,2 mm) em relação à membrana QT (46,2 mm)
pode estar relacionado ao maior alongamento das cadeias ocasionado pela enxertia
de acrilato de sódio nas cadeias laterais da quitosana. O que ocorre é uma força de
repulsão entre os grupos carboxilato do acrilato, resultando numa estrutura
tridimensional muito larga e rígida, que funciona como uma estrutura pseudo-
reticulada, podendo absorver grandes quantidades de água.
As medidas de espessura também foram realizadas nas amostras de
membranas copoliméricas incorporadas com nanopartículas de prata. Os resultados
estão mostrados na Tabela 14.
TABELA 14. VALORES DAS ESPESSURAS PARA AS MEMBRANAS DO NANOCOMPÓSITO QT-g-NaAc INCORPORADAS COM NANOPARTÍCULAS DE PRATA COM CONCENTRAÇÕES INICIAIS DE AgNO3 2, 5 E 10 mmol.L-1 E DE NaBH4 10, 100 E 200 mmol.L-1, RESPECTIVAMENTE.
Amostra Espessura média (µm)
(membrana) Seca Intumescida % aumento
QT-g-NaAc/Ag 2/10 60,2 63,7 5,8
QT-g-NaAc/Ag 5/100 50,7 66,0 30,1
QT-g-NaAc/Ag 10/200 61,5 73,2 19,0
Os valores das espessuras médias das membranas do nanocompósito
não diferiram muito daqueles observados para as membranas do copolímero sem
nanopartículas de prata. As espessuras médias encontradas para as membranas
secas foram 73,2 µm para a membrana QT; 60,7 µm para a membrana QT-g-NaAc;
e 60,2, 50,7 e 61,5 µm para as membranas QT-g-NaAc/Ag (2, 5 e 10 mmol.L-1),
respectivamente.
Segundo Veiga [2009], biomateriais poliméricos substitutos da derme
devem ser idealmente mais finos que a pele humana, cuja espessura pode variar
44
entre 0,5 e 2 mm, dependendo da idade, sexo e região do corpo. Dessa forma,
filmes poliméricos podem ser considerados destinados à recuperação de lesões
cutâneas, quando apresentam espessuras entre 50 e 200 µm. Nesse contexto, as
membranas copoliméricas QT-g-NaAc/Ag obtidas neste trabalho apresentam
potencial para serem empregadas como curativos dermatológicos.
FIGURA 21. GRÁFICO COMPARATIVO DAS DIMENSÕES DAS MEMBRANAS QT E QT-g-NaAc.
4.3 Caracterização das membranas de QT-g-NaAc incorporadas com
nanopartículas de prata
A síntese das nanopartículas de prata consiste na redução química do sal
metálico na presença de boroidreto de sódio, segundo a reação disposta na
Equação 3.
AgNO3(aq) + NaBH4(aq) + 3H2O(l) Ag(s) +
27 H2(g) + H3BO3(aq) + NaNO3(aq) (3)
Nesta rota sintética ocorre a redução dos íons prata (Ag+) para prata
metálica (Ag0), seguida de uma agregação controlada, resultando em nanopartículas
de prata metálica.
A concentração inicial dos reagentes tem um papel importante na
estabilidade e concentração final das nanopartículas. Vimala e col. [2010] comentam
que o excesso de boroidreto é necessário tanto para reduzir a prata iônica como
QT QT-g-NaAc0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Var
iaçã
o d
e ta
man
ho
s
Espessura (µm) (Seca) Espessura (µm) intumescida % aumento Raio (mm)
45
para estabilizar as nanopartículas formadas. Dessa forma, a quantidade de
boroidreto adicionada foi vinte vezes maior que à do sal metálico, a fim de garantir a
completa redução do AgNO3 e formação das nanopartículas metálicas na membrana
copolimérica.
Ao variar a concentração de íons prata no meio, uma maior quantidade
desses pode interagir com a estrutura da membrana e ao ser submetidas à redução
na presença de boroidreto de sódio, uma maior quantidade de nanopartículas é
incorporada às membranas. Assim, para avaliar a influência da concentração dos
íons prata na formação das nanopartículas metálicas, membranas de quitosana-g-
acrilato de sódio foram submetidas ao contato com soluções de nitrato de prata em
três diferentes concentrações (2, 5 e 10 mmol.L-1).
A fotografia das membranas está mostrada na Figura 22. A formação de
nanopartículas de prata pode ser visualmente reconhecida por sua coloração
característica. A mudança nas cores das membranas de amarelo para marrom
escuro, de forma proporcional ao aumento nas concentrações de AgNO3 adicionado,
evidencia a formação das nanopartículas de prata. Huang e col. [2004] também
observaram essa coloração em nanocompósitos quitosana/NPsAg com
concentrações de AgNO3 entre 1 e 20 mmol.L-1. A alteração nas cores também é um
indicativo de alteração no tamanho das nanopartículas. Esses resultados
demonstram que a estrutura copolimérica atua como um controlador de nucleação,
bem como um estabilizante das nanopartículas [Huang e col., 2004].
FIGURA 22. FOTOGRAFIA DAS MEMBRANAS DE QUITOSANA-g-ACRILATO DE SÓDIO INCORPORADAS COM NANOPARTÍCULAS DE PRATA.
A mudança de cores nas nanopartículas (NPs) se origina pelo fenômeno
de ressonância de plasmons de superfície que corresponde às oscilações coletivas
dos plasmons superficiais, isto é, oscilações coletivas dos elétrons da banda de
condução dos átomos constituintes das nanopartículas, induzidos pela luz incidente.
QT-g-NaAc Ag 2/40 Ag 5/100 Ag 10/ 200
46
O efeito de superfície plasmônica é bastante considerável nas NPs metálicas, em
virtude da razão superfície/volume. A luz incidente cria alterações na nuvem
eletrônica, gerando uma frequência de oscilações na condução dos elétrons na
superfície das nanopartículas. A movimentação da nuvem eletrônica tem a mesma
frequência que o comprimento de onda da luz incidente [Berni Neto, 2010].
Nas nanopartículas esféricas, ocorre a formação de dipolos originados da
interação da onda eletromagnética incidente com a partícula. A energia da radiação
eletromagnética é transformada em energia térmica gerando oscilações
ressonantes, que têm faixas espectrais determinadas pela densidade eletrônica,
massa efetiva e principalmente pelo tamanho e formato das NPs. O agente
estabilizante e o meio reacional também influenciam no comprimento de onda de
absorção da nanopartículas [Berni Neto, 2010].
4.3.1 Espectrofotometria de absorção na região do Ultravioleta-Visível (UV-Vis)
O estudo de nanopartículas metálicas através de espectros de absorção
no UV-Vis permite inferir características importantes das nanopartículas como
tamanho, forma, número de partículas presentes, estrutura e distribuição das
mesmas em solução, através de parâmetros como comprimento de onda de máxima
absorção ( max), valor máximo de absorção óptica (Amax) e largura à meia-altura
(FWHH).
Para confirmar a existência de nanopartículas de prata (NPsAg) na
estrutura das membranas copoliméricas, foram realizados estudos espectroscópicos
na região do UV-Vis. Os espectros de absorção são mostrados na Figura 23. Como
o copolímero QT-g-NaAc apresentou absorção na faixa de 200 a 230 nm, os
espectros encontram-se em uma faixa de 300 a 700 nm. Os espectros referentes às
concentrações de AgNO3 2, 5 e 10 mmol.L-1 mostraram picos de absorção óptica em
torno de 430 nm, que é característico da ressonância de plasmons de superfície de
nanopartículas de prata (NPsAg) [Pallab e col., 2008].
47
FIGURA 23. ESPECTROS DE ABSORÇÃO NO UV-VIS DAS MEMBRANAS QT, QT-g-NaAc E QT-g-NaAc/Ag EM DIFERENTES CONCENTRAÇÕES AgNO3/ NaBH4.
O valor máximo de absorção óptica (Amax) é uma indicação do número de
nanopartículas presentes na solução coloidal. Coloides que possuem um maior
número de nanopartículas presentes possuem um maior valor de absorção óptica.
Assim, o aumento na intensidade da banda plasmônica proporcional ao aumento da
concentração do sal de prata é resultado de um aumento no número de partículas
formadas, em concordância com a Lei de Beer, já que quanto maior a concentração,
maior a absorbância do meio.
Outro parâmetro importante é o comprimento de onda de máxima
absorção ( max), que depende fortemente do tamanho médio das nanopartículas.
Nanopartículas menores tendem a ter o comprimento de onda de máxima absorção
deslocado para a região do ultravioleta, enquanto um aumento do tamanho médio
das nanopartículas é seguido por um deslocamento para a região do vermelho. Ou
seja, menor energia média do pico de plasmon indica um maior tamanho médio das
nanopartículas [Andrade, 2008; Huang e col., 2004]. Na comparação dos espectros
observa-se que ocorre um leve deslocamento da banda plasmônica das amostras
2/40, e 10/200 mmol.L-1, para menores comprimentos de onda de máxima absorção.
Dessa forma, ocorre uma diminuição do diâmetro das nanopartículas, à medida que
aumenta a concentração dos íons prata.
300 400 500 600 700
Ab
s
Comprimento de onda (nm)
QT QT-g-NaAc 2/40mmol/L 5/100mmol/L 10/200mmol/L
48
Mas o tamanho médio das nanopartículas não é um resultado relevante
se não for conhecida a faixa de distribuição de tamanhos, que é estimada a partir da
largura de banda à meia altura (FWHH) do espectro UV-Vis. Quanto maior a FWHH,
maior a distribuição de tamanho das partículas.
Para obter nanopartículas mais uniformes quanto ao seu tamanho, o ideal
seria obter larguras de banda o mais estreito possível. No entanto, pode-se observar
que a banda referente à amostra 5/100 mmol.L-1 é bastante larga, parecendo ser a
sobreposição de duas bandas. A partir da Figura 23, é possível observar que, a
amostra 10/200 mmol.L-1 é a que apresenta menor largura de banda. Além disso, a
mesma apresenta pico de absorção único e mais próximo de 400 nm, característico
de nanopartículas com formato esférico, causando um único modo de oscilação dos
plasmons superficiais [Reis, 2011].
4.3.2 Atividade antibacteriana
A ação bactericida das nanopartículas está fortemente relacionada ao seu
tamanho. Segundo Berni Neto [2010], NPs de até 100 nm apresentam ação
satisfatória. NPs menores que 5-10 nm, ou até mesmo clusters de 0,4-2 nm,
demonstram uma maior reatividade, aumentando consideravelmente a ação
bactericida. Jing e col. [2010] investigaram a ação bactericida do nanocompósito
quitosana-g-poli(metacrilato de metila)/Ag contra as espécies Escherichia coli,
Pseudomonas aeruginosa, Bacillus subtilis e Staphilococus aureus . O tamanho das
NPsAg no nanocompósito variaram entre 5 e 8 nm, e apresentaram taxa
antimicrobiana para as quatro espécies variando entre 93-98 %.
A atividade antibacteriana das membranas QT-g-NaAc e QT-g-NaAc/Ag
foi avaliada para as bactérias Gram-positiva Sthaphylococcus aureus e Gram-
negativa Pseudomonas aeruginosa, dois patógenos comuns em complicações
infecciosas da pele. A eficiência na inibição microbiológica é calculada pelo diâmetro
do halo de inibição, medido desde o centro do disco até o final do halo de inibição.
As membranas QT-g-NaAc (controle negativo) não apresentaram halos de inibição,
indicando a ausência de atividade bactericida contra as duas espécies, como
mostrado na Figura 24.
49
As membranas de quitosana-g-acrilato de sódio com nanopartículas de
prata apresentaram atividade antibacteriana, em todas as concentrações testadas,
contra as cepas de Staphylococcus aureus ATCC 25923 e Pseudomonas
aeruginosa ATCC 25619, pois apresentaram halos de inibição de atividade
microbiológica, comparados com os halos produzidos pelos discos de gentamicina
(controle positivo).
FIGURA 24. ENSAIO DE ANTIBIOGRAMA REALIZADO COM MEMBRANAS QT-g-NaAc/Ag CONTRA AS LINHAGENS DE Staphylococcus aureus ATCC 25923 (A) E Pseudomonas aeruginosa ATCC 25619 (B).
Como pode ser observado na Tabela 15, não existiram diferenças
significativas no tamanho dos halos das concentrações de prata testadas para cada
espécie de bactéria. Logo, mesmo na menor concentração foi encontrada
considerável atividade. Entretanto, os resultados indicam que as membranas QT-g-
NaAc/Ag apresentam maior atividade bactericida contra Staphylococcus aureus, pois
o diâmetro médio de inibição foi maior para essa espécie.
Pinto e col. [2012] testaram a atividade antibacteriana de filmes
nanocompósitos baseados em quitosana e nanopartículas de prata. Os tamanhos
dos halos de inibição de crescimento bacteriano variaram entre 8,5 e 9 mm, para
filmes com concentrações de prata entre 0,033 e 2 mmol. L-1.
B A
50
TABELA 15. DADOS EXPERIMENTAIS DO ENSAIO DE ANTIBIOGRAMA DE MEMBRANAS QT-g-NaAc/Ag CONTRA AS LINHAGENS DE Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa.
Membranas
Diâmetro do halo (mm)
S. aureus P. aeruginosa
QT-g-NaAc 0 0
Gentamicina 16,0 ± 2,8 9,0 ± 0,0
QT-g-NaAc/Ag 2/40 13,5 ± 0,7 8,5 ± 0,7
QT-g-NaAc/Ag 5/100 14,0 ± 0,0 8,0 ± 0,0
QT-g-NaAc/Ag 10/200 13,0 ± 0,0 8,5 ± 0,7
QT-g-NaAc/Ag Média 13,5 8,3
A diferença entre os dois principais grupos de bactérias (Gram-positivas e
Gram-negativas) está na composição e espessura do envoltório celular. Bactérias
Gram-negativas apresentam uma fina camada de peptidoglicano (~2-3 nm) entre a
membrana citoplasmática e a membrana externa. As Gram-positivas, apesar de
apresentarem uma espessa camada de peptidoglicano (~30 nm), não possuem a
membrana externa, tornando-as mais susceptíveis a ataques químicos [Morones e
col., 2005]. Isso talvez explique a maior eficiência das membranas QT-g-NaAc/Ag na
inibição do crescimento da espécie Staphylococcus aureus.
A atividade antibacteriana de materiais contendo prata pode ser utilizada,
por exemplo, na medicina, para reduzir infecções bem como para prevenir a
colonização de bactérias em próteses, enxertos vasculares, materiais dentários e
feridas dermatológicas [Guzmán e col., 2009].
O desenvolvimento de materiais baseados em quitosana para potencial
aplicação na área de regeneração de pele é devido à sua propriedade cicatrizante.
O antibiograma mostrou que nanopartículas de prata imobilizadas em membranas
de quitosana-g-acrilato de sódio inibem o crescimento bacteriano. Dessa forma, a
prata aumenta as possibilidades de desenvolvimento de nanocompósitos baseados
em quitosana com potencial aplicação como curativos, já que une a propriedade
antibacteriana às propriedades cicatrizante da quitosana e de absorção do
poli(acrilato de sódio).
51
4.3.3 Morfologia das membranas
Para estudar a morfologia das membranas QT, QT-g-NaAc e QT-g-
NaAc/Ag, analisou-se as fotomicrografias dos materiais intumescidos em água
destilada e liofilizados depois de congelados em nitrogênio líquido. De acordo com
Guilherme e col. [2005], nessas condições, pode-se assumir que a morfologia do
material intumescido é preservada. As fotomicrografias das superfícies das
membranas obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) são mostradas
na Figura 25.
FIGURA 25. FOTOMICROGRAFIAS DA SUPERFÍCIE DAS MEMBRANAS: QUITOSANA (A), QT-g-NaAc (B), QT-g-NaAc/Ag 2/40 (C), QT-g-NaAc/Ag 5/100 (D) E QT-g-NaAc/Ag 10/200 (E).
(B) (A)
(D) (C)
(E)
52
A análise morfológica da membrana de quitosana revela uma superfície
rugosa e irregular. Após a modificação da quitosana com acrilato de sódio, observa-
se o desaparecimento da aparência rugosa, dando lugar a uma superfície mais
densa e homogênea, com pequenos orifícios em sua estrutura. A presença desses
orifícios proporciona ao material uma maior absorção de água.
As fotomicrografias mostram que a incorporação das nanopartículas de
prata não causou alterações na morfologia da superfície das membranas do
nanocompósito QT-g-NaAc/Ag. A homogeneidade das superfícies demonstra que as
nanopartículas ficaram dispersas por toda a matriz polimérica. Segundo Pinto e col.
[2012], a macromolécula copolimérica interage com as superfícies das partículas de
prata, promovendo a dispersão das partículas. No entanto, pode-se perceber o
aparecimento de partículas de formato esférico na superfície das membranas, com
diâmetros variando entre 6,5 e 15 µm, que podem estar relacionadas ao resíduo de
boroidreto de sódio presente nas membranas.
Pode-se observar ainda, a partir das fotomicrografias da secção
transversal das membranas (Figura 26), a presença das partículas esféricas
somente na membrana QT-g-NaAc/Ag 10/200, ou seja, naquela em que há uma
maior concentração de boroidreto de sódio.
FIGURA 26. FOTOMICROGRAFIAS DA SEÇÃO TRANSVERSAL DAS MEMBRANAS DOS NANOCOMPÓSITOS: QT-g-NaAc/Ag 2/40 (A), QT-g-NaAc/Ag 5/100 (B) E QT-g-NaAc/Ag 10/200 (C), NA MAGNITUDE DE 5000X.
Quanto à morfologia das membranas pode-se observar que o
nanocompósito apresenta estrutura porosa e firme. Segundo Arockianathan e col.
(A) (B) (C)
53
[2012], a natureza porosa da membrana ajuda a absorver o exsudato da ferida,
como também facilita a troca de oxigênio na superfície da ferida.
54
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O copolímero quitosana-graft-acrilato de sódio foi obtido por meio de reação
de copolimerização por enxertia via reação radicalar.
A análise elementar e estrutural por FTIR confirmaram a enxertia do acrilato
de sódio nas cadeias laterais da quitosana.
A análise espectroscópica na região do UV-Vis mostrou bandas de absorção
na região de 430 nm, confirmando a formação das nanopartículas de prata
nas membranas do copolímero quitosana-graft-acrilato de sódio.
A ótima capacidade de absorção de água do nanocompósito QT-g-NaAc/Ag
indica que este apresenta potencial para estudo com possível aplicação como
curativo dermatológico.
O nanocompósito QT-g-NaAc/Ag apresentou atividade antibacteriana contra
as espécies Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa.
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