XV CONIC
XV Congresso de Iniciação Científica da UFPE
29 a 31 de outubro de 2007
30502 - INVESTIGAÇÃO DA BIODEGRADAÇÃO DO
POLI(HIDROXIBUTIRATO) NACIONAL SUBMETIDO A DIFERENTES
DOSES DE RADIAÇÃO GAMA.
Carlas Renata Priscila Costa Ferreira1; Elmo S. Araújo2
1
Estudante do Curso de Licenciatura em Ciências com Habilitação em Matemática - FFPG; E-mail:
[email protected], Professor Associado do Departamento de Energia Nuclear – DEN/UFPE . E-mail:
[email protected]
Resumo: O poli(hidroxibutirato), PHB, é utilizado na manufatura de artefatos médicos que
podem ser esterilizados por radiação gama. Entretanto, quando o PHB é irradiado, cisões na
cadeia principal ocorrem com conseqüente degradação nas suas propriedades mecânicas. O
efeito da radiação gama foi estudado no interesse de investigar a aceleração da
biodegradabilidade por teste de Sturm em filmes de PHB, não irradiados e irradiados nas doses
de 25 e 50kGy. Paralelamente, foram feitas a determinação e verificação da redução da massa
molar e do aumento no índice de degradação por técnica de viscosimetria em soluções dos filmes
de PHB, não irradiados e irradiados as doses de 15 a 50kGy. A avaliação da biodegradabilidade
via teste de Sturm, a o estudo da massa molar e determinação do índice de degradação
demonstrou que a irradiação gama acelerou a velocidade de degradação, promovendo a redução
da massa molar e aumento do número de cisões por moléculas inicias (índice de degradação) do
PHB.
Palavras-chave: biomateriais; biodegradação; poli(hidroxibutirato); radiação gama; Teste de
Sturm; massa molar
INTRODUÇÃO
O poli(hidroxibutirato), PHB, é um poliéster termoplástico da classe dos polialcanoatos (PHAs)
mais bem caracterizado e abundante na natureza. O PHB é um polímero cristalino,
biodegradável, hidrofílico e biocompatível. Quando exposto a radiação gama o PHB apresenta
interessantes mudanças nas suas propriedades físicas [1].
O interesse desse trabalho é demonstrar que a radiação gama em filmes de PHB provoca a
redução da sua massa molar e aceleração da biodegradabilidade, utilizando método de
viscosimétria e teste de Sturm, respectivamente.
MATERIAL E MÉTODOS
A. Amostras
O PHB cedido gentilmente pela PHB Industrial S.A. (da safra 2005 Lote 99) na forma de pó, foi
purificado por reprecipitação com hexano. Filmes de PHB foram preparados na proporção de
0,8g de PHB para 20ml de clorofórmio, utilizando a técnica de derrame com evaporação lenta de
solvente (casting), em placas de petri de 12cm. A irradiação dos filmes foi realizada no
laboratório GAMALAB-DEN-UFPE em doses que variaram de 15 a 50 kGy, com uma fonte de
60
Co, modelo Gammacell 220 Excel MDS Nordion, a uma taxa de dose de 10,26 kGy/h.
B. Analise de biodegradabilidade
O estudo da biodegradação por método de Sturm com filmes de PHB purificados foi realizado
em amostras não irradiadas e irradiadas em doses de 25 e 50kGy. O teste de Sturm [2] é um
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sistema de biodegradação aeróbio que quantifica a degradação do biopolímero a partir da
produção de dióxido de carbono (CO2), conforme a norma ASTM 5209-92.
A estruturação
do teste de Sturm consiste em um compressor de ar atmosférico conectado a extremidade de um
sistema com seqüências de três erlenmeyers por pequenos tubos interligados.
Foram montados quatro sistemas: um a para cada filme analisado (0, 25 e 50kGy) e um apenas
com húmus (controle). A aeração do sistema foi promovida pelo compressor de ar conectado ao
primeiro erlenmeyer contendo 200 mL de solução de hidróxido de bário [Ba(OH)2] 0,05N, para
evitar a entrada de CO2 no segundo erlenmeyer.
O processo de biodegradação ocorre no segundo erlenmeyer, reator, com 200 ml de água, 20g de
húmus a 50% de umidade, e um filme (exceto no sistema controle). A superfície polimérica é
atacada e colonizada pelos microorganismos, formando uma mistura complexa de
microorganismos, água e substâncias poliméricas extracelulares. O CO2 produzido pela
respiração celular foi coletado no terceiro erlenmeyer, contendo 200 mL de solução de Ba(OH)2,
com concentração que variou de 0,15N a 0,19N, dependendo da velocidade de biodegradação. A
massa de CO2 foi determinada por meio de titulação com HCl 0,03N. O reator (segundo
erlenmeyer) foi mantido a temperatura ambiente. O monitoramento da produção de CO2 dos
sistemas foi realizado a cada 24 horas.
C. Analise viscosimétrica
As soluções dos filmes (irradiados e não irradiados) foram preparadas a 0,1g/dL de concentração
PHB, utilizando clorofórmio como solvente, em um viscosímetro capilar tipo Oswald, nº 50,
imerso em banho termostático, à temperatura de 30 ± 0,1 ºC.
Foram registrados os tempos de escoamento (t e t0) da solução e do solvente respectivamente.
Determinando por meio das equações (1) a (4) a massa molecular viscosimétrica média Mv [3]:
ηrel = t/t0
(1)
ηsp = ηrel – 1
(2)
[η] = ηsp/Cηrel0,5
(3)
[η] = k(Mv)a
(4)
Mvrel = Mv/Mvo
(5)
α = Mvo/Mv -1
(6)
Com as constantes k = 1,18 x 10-4(g/dL) e a = 0,78 para o sistema PHB – clorofórmio a 30ºC [4].
A partir das massas molares obtidas foram encontrados, com as equações (5) e (6) a massa
relativa que representa a relação de massa irradiada pela não irradiada, e o índice de degradação,
α, que representa o número de cisões na cadeia principal por moléculas iniciais.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 1 apresenta a sistematização do teste de Sturm. Na Figura 2 demonstra a massa de CO2,
em miligramas, coletada em função do tempo, em dias, para os filmes de PHB irradiados a 25 e
50 kGy e não irradiado; sendo descontada a massa de CO2 produzida por materiais orgânicos já
existentes no húmus. Nota-se que há uma diferença significativa no processo de biodegradação
dos filmes de PHB não irradiado e os irradiados. Esse resultado era esperado, pois o processo de
irradiação causa cisões na cadeia principal do polímero. Assim, os filmes irradiados
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apresentaram maior velocidade de biodegradação, possivelmente, por que o estagio
biodegradação, a fragmentação, em que as enzimas extracelulares decompõem a macromolécula
em cadeias menores, foi acelerado.
Figura 1 – Sistema para avaliação de biodegradação, teste de Sturm. (Ferreira, C C; Araujo, E S;
2007, Relatório PIBIC/UFPE)
Massa de CO2 (mg)
8000
6000
0 kGy
25 kGy
50 kGy
4000
2000
0
0
20
40
60
80
100
120
Tempo (dias)
Figura2 – Massa de CO2 coletado na biodegradação dos filmes não irradiados e irradiados a 25 e
50 kGy. (Ferreira, C C; Araujo, E S; 2007, Relatório PIBIC(Ferreira,C C; Araujo,E S;2007,
Relatório PIBIC/UFPE)
Os dados da determinação da Mv do PHB (filmes irradiados e não irradiados) por método
viscosimétrico foram usados na formação da Figura 3, que apresenta a massa molar relativa
(Mv/Mv0) e índice de degradação (Mv0/Mv -1) em função da dose de irradiação. A radiação
gama promoveu a redução da massa molar de aproximadamente 50% do filme irradiado em
doses igual e superior a 25 kGy. Como conseqüência também das cisões na cadeia principal
induzida pela radiação gama, o índice de degradação aumenta proporcionalmente à dose, se
estabilizando acima de 25kGy.
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Massa molar relativa e Indice de degradação
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1,50
1,35
1,20
M v 0 /M v-1
1,05
0,90
0,75
M v/M v 0
0,60
0,45
0,30
0,15
0,00
0
10
20
30
40
50
D ose(kG y)
Figura 3 – Massa molar relativa (Mv/Mv0) e índice de degradação (Mv0/Mv –1) em função da
dose de radiação gama, para o PHB. (Ferreira, C C; Araujo, E S; 2007, Relatório PIBIC/UFPE)
CONCLUSÕES
Os filmes irradiados apresentaram maior velocidade de biodegradação, entretanto não
apresentando no processo de biodegradação diferença significativa quanto aos filmes irradiados a
25 kGy e 50 kGy. A radiação gama altera a biodegradabilidade de filmes de PHB, promove a
redução da massa molar viscosimétrica em aproximadamente 50% e o de aumento proporcional
à dose do índice degradação que se estabiliza acima de 25kGy. Da mesma forma, os filmes que
passaram pelo processo de irradiação gama sofreram degradação induzida por radiação de alta
energia, causando cisões na cadeia principal do PHB, conseqüentemente facilitando o ataque
enzimático.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a PHB Industrial S.A. pelo gentil fornecimento do PHB a pesquisa, a
Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, laboratório GAMALAB-DEN-UFPE na
irradiação das mostras e ao apoio financeiro do CNPq.
[1]
[2]
[3]
[4]
REFERÊNCIAS
OLIVEIRA, L. M.; ARAUJO, E. S.; GUEDES, S. M. L.; 2006.Gamma irradiation
effects on poly(hydroxybutyrate). Polymer Degradation and Stability. 91: 2157-2162.
FLEMMING, H.1998. Relevance of biofilms for the biodeterioration of surfaces of
polymeric materals. Polymer Degradation and stability. 59: 309-315.
ROSEN, S. L. 1993. Fundamental Principles of Polymeric Materials. New York, John Wiley
& Sons, Inc. 418p.
AKITA, S. ; EINAGA, Y. ; MIYAKI, Y. & FUJITA, H. 1976. Solution Properties of
Poly(D-B-hydroxybutyrate). 1. Biosynthesis and characterization. Macromolecules . 91:
2157-2162.