UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA
DE MATERIAIS
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Modificação de membranas de quitosana por
plasma para uso biológico
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo.
Orientador:
Prof. Dr. Clodomiro Alves Júnior
Natal (RN), Abril de 2009
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE
MATERIAIS
Modificação de membranas de quitosana por
plasma para uso biológico
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de
Materiais do Centro de Ciência Exata e da Terra da
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como
parte dos requisitos para obtenção do título de
Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.
Aluna: Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Orientador: Prof. Dr. Clodomiro Alves Júnior.
Natal (RN), Abril de 2009
Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / SISBI / Biblioteca Setorial Especializada
Centro de Ciências Exatas e da Terra – CCET.
M141m
Macêdo, Marina de Oliveira Cardoso.
Modificação de membranas de quitosana por plasma para uso biológico
/ Marina de Oliveira Cardoso Macêdo. -- Natal, 2009.
96 f.: il.
Orientador: Prof. Dr. Clodomiro Alves Júnior.
Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
Centro de Ciências Exatas e da Terra. Programa de Pós-graduação em
Ciência e Engenharia de Materiais, 2009.
1. Quitosana - Dissertação.
2. Plasma - Dissertação.
3.
Permeabilidade - Dissertação. 4. Membrana - Dissertação. I. Alves Júnior,
Clodomiro. II. Título.
RN/UF/BSE-CCET
CDU: 620.1
Dedico este trabalho aos meus pais, Maria Dalva e
Braz Cardoso e ao meu esposo Haroldo Reis pelo amor,
compreensão, carinho e incentivo.
Agradecimentos
A Deus por sempre guiar e iluminar meus pensamentos.
A minha mãe Maria Dalva de Oliveira Araújo e ao meu pai Braz Cardoso de
Araújo pelo amor, carinho e por terem sempre ficado ao meu lado nas horas mais
difíceis de minha vida.
A meu esposo, Haroldo Reis, por sempre ter me ajudado nas atividades
relacionadas a este trabalho, bem como as atividades do lar que sempre soube fazer
de modo a ajudar na conclusão deste trabalho e pelo seu amor, respeito e
sinceridade.
Ao professor Dr. Clodomiro Alves Júnior pela dedicação na orientação deste
trabalho, pelo incentivo, pela amizade e por estar sempre presente.
A professora Márcia Rodrigues pela ajuda na realização desse trabalho, bem
como a todos os estudantes que fazem parte do laboratório de membranas de
colóides.
Ao professor Dr. Ayrton de Sá Brandim por ter acreditado no meu potencial e
me incentivado a cursar uma pós graduação.
A minha sogra Tereza Cristina e ao meu sogro Haroldo Macêdo por terem me
recebido como filha e apoiado nesta nova fase de minha vida.
Aos meus irmãos Marcos, Marcelo e Mauro por terem acreditado em mim e
terem me apoiado quando da minha saída de casa para estudar em Natal.
Aos meus sobrinhos Rafael, Mariana, Ravy, Yuri e Agnes pela alegria e
carinho.
A todos os professores do curso de Biologia da UESPI em especial Prof.ª
Emilia Saleh, Prof ª Socorro Meireles e Prof ª Socorro Viana.
Aos funcionários e pesquisadores da Embrapa pelo incentivo a pesquisa e
apoio nos trabalhos de campo durante a graduação em especial Dr.ª Claudia, Dr.
Freire e Vera Lúcia.
Aos colegas do LABPLASMA pelo apoio, incentivo e valiosa ajuda na
realização desse trabalho.
A Michelly pelo conhecimento transmitido sobre tratamento de polímeros por
plasma.
Ao Júlio pelos ensinamentos sobre espectroscopia de emissão ótica.
Ao Zilvam pelas valiosas imagens de microscopia de força atômica.
A Gymman por me ajudar nos ensaios de viscosimetria.
Aos alunos de iniciação científica Melquesedeque e Cynthia Aires pela ajuda
nos ensaios de permeação e tratamento das membranas.
Às minhas amigas Leanni, Marcilene, Kelly e Daugerlândia pelas palavras de
conforto quando a saudade aumentava.
A todos os meus familiares, em especial a minha Madrinha Carminha, tia
Anunciação, tia Jesus, tia Aurora e tio Nonato.
Aos professores do PPGCEM da UFRN que transmitiram os conhecimentos
necessários para adaptação de uma nova área.
Às secretárias desse programa que sempre se mostraram dispostas ajudar os
alunos, em especial Gabriela a qual tive maior contato.
Aos professores do CEFET-PI os quais, não cito nomes para não ser injusta,
pelo apoio, incentivo e pela oportunidade oferecida de cursar as disciplinas junto
com eles.
A Capes, pelo apoio financeiro.
Resumo
Membranas de quitosana foram modificadas por plasma, utilizando os seguintes
gases: nitrogênio (N2), metano (CH4), argônio (Ar), oxigênio (O2) e hidrogênio (H2).
Membranas não tratadas foram utilizadas para comparação com as tratadas. As
amostras foram caracterizadas por ensaio de ganho de massa (capacidade de
absorção de água), ângulo de contato, microscopia de força atômica (MFA) e quanto
à sua permeabilidade em relação ao fármaco sulfamerazina de sódio. Através dos
ensaios de absorção e ângulo de contato foi possível obter informações sobre a
molhabilidade das membranas e quais mudanças o tratamento a plasma pode
promover em relação à molhabilidade. O tratamento por plasma utilizando o oxigênio
promoveu um aumento da hidrofilicidade e do ganho de massa enquanto as
amostras tratadas com metano tiveram uma diminuição da hidrofilicidade e do ganho
de massa. Através da Espectroscopia de Emissão Ótica (EEO) identificaram-se
quais espécies estavam presentes no plasma durante o tratamento, pois estas
influenciam o grau de molhabilidade das amostras, tornando-as mais hidrofílicas ou
hidrofóbicas através da inserção de grupos funcionais. Nos resultados da MFA foi
possível observar as modificações nanotopográficas ocorridas na superfície das
amostras, como o aumento da rugosidade em amostras tratadas com hidrogênio e a
diminuição dessa rugosidade nas amostras tratadas com argônio. Ensaios de
permeação foram realizados para todas as membranas tratadas e comparados com
as membranas não tratadas. Através desse ensaio foi possível verificar que os
tratamentos a plasma ampliaram o espectro de permeabilidade das membranas que
variou de 1,4548 *10-5cm2.min-1 a 2,7713*10-5cm2.min-1. As amostras tratadas com
oxigênio apresentaram a menor permeabilidade enquanto que a amostras tratada
com argônio apresentaram a maior permeabilidade. A obtenção de membranas de
quitosana com permeabilidade variada é de grande importância na tecnologia de
liberação de fármacos, pois as mesmas podem ser utilizadas nos mais diversos
sistemas carreadores de fármacos. Liberando uma ampla variedade de fármacos
e/ou agente bioativos.
Palavras Chave: Quitosana, Plasma, Permeabilidade
Abstract
Chitosan membranes have been modified by plasma, utilizing the following gases:
nitrogen (N2), methane (CH4), argon (Ar), oxygen (O2) and hydrogen. The modified
membranes by plasma were compared to the unmodified ones. The membranes
were characterized by absorption assay, contact angle, atomic force microscopy
(AFM). Also, permeability assay of sodium sulfamerazine from such membranes
were carried out. Through the absorption assay and contact angle it was possible to
obtain information of the wettability of the membranes and what changes the plasma
treatment can promote in relation to it. The plasma treatment using oxygen promoted
increase of the wetability and swelling while the samples treated with methane
decrease of the wetability and swelling. Through the Optical Emission Spectroscopy
(OES) it was possible to identify which species were present in the plasma during the
treatment. And through the AFM analysis it was possible to observe the changes
nanotopography occurred on the surface of the samples. Permeability assay were
archived for all treated membranes and compared to no treated ones. Due to that
assay it was possible verify which the plasma treatment increased the permeability
spectrum of the membranes which has varied from 1,4548 *10-5cm2.min-1 to
2,7713*10-5cm2.min-1. Chitosan membranes with permeability varied are importance
in systems drug delivery, to liberate a wide variety of drugs.
Key word: Chitosan, Plasma, Permeability
Lista de Figuras
Figura 2.1: Esquema do processo para obtenção de quitina e quitosana. ............... 20
Figura 2.2: Representação esquemática da estrutura química da quitina, celulose e
quitosana, sendo n o grau de polimerização ............................................................ 21
Figura 2.3: Escaneamento do comprimido de quitosana no corpo humano utilizado
para liberação de fármaco no cólon. (a) 60 minutos após a administração o
escaneamento mostra que o comprimido chegou ao cólon humano intacto. (b) 305
minutos após a administração - início da desintegração e expansão do comprimido.
(c) 365 minutos - ascensão e expansão extensiva. (d) 405 minutos - expansão
extensiva para o cólon transversal ........................................................................... 23
Figura 2.4: Perfis da liberação de drogas em função do tempo: Liberação
convencional x controlada ........................................................................................ 27
Figura 2.5: Representação esquemática da sulfanilamida. ...................................... 32
Figura 2.6: Representação esquemática da sulfamerazina de sódio ....................... 34
Figura 2.7 – Gota depositada sobre uma superfície sólida. Onde σsv, σlv e σls são as
tensões resultantes da interação entre os três meios sólido, líquido e vapor ........... 45
Figura 2.8: Ângulos de contato de líquidos com superfícies sólidas: (a) totalmente
hidrofílica; (b) predominantemente hidrofílica; (c) predominantemente hidrofóbica; (d)
totalmente hidrofóbica .............................................................................................. 46
Figura 2.9: Intumescimento e erosão em matrizes hidrofílicas. ................................ 47
Figura 3.1: Desenho esquemático do reator a plasma utilizado para tratamento de
membranas de quitosana ......................................................................................... 57
Figura 3.2: Reator de plasma utilizado para modificar as membranas de quitosana.
................................................................................................................................. 59
Figura 3.3: Fotografia do espectrômetro de emissão ótica que inclui o
monocromador, o sensor ótico, o spectrahub e o computador. ................................ 60
Figura 3.4: Ilustração do equipamento utilizado para determinação do ângulo de
contato. ..................................................................................................................... 62
Figura 3.5 – Esquema da célula de permeação ....................................................... 64
Figura 3.6: Espectro de absorção uv/visível da sulfamerazina de sódio. ................. 65
Figura 4.1: Espectro de emissão ótica dos gases utilizados nos tratamentos das
membranas por plasma, 4.1a: espectro do argônio, 4.1b: espectro do metano, 4.1c:
espectro do nitrogênio, 4.1d: espectro do oxigênio, 4.1e: espectro do hidrogênio. .. 72
Figura 4.2: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de quitosana
não tratada. Figura 4.2a imagem frontal, figura 4.2b imagem em 3d. ...................... 74
Figura 4.3: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de quitosana
tratada com metano. Figura 4.3a imagem frontal, figura 4.3b imagem em 3d.......... 74
Figura 4.4: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de quitosana
tratada com argônio. Figura 4.4a imagem frontal, figura 4.4b imagem em 3d.......... 75
Figura 4.5: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de quitosana
tratada com hidrogênio. Figura 4.5a imagem frontal, figura 4.5b imagem em 3d. .... 76
Figura 4.6: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de quitosana
tratada com nitrogênio. Figura 4.6a imagem frontal, figura 4.6b imagem em 3d. ..... 77
Figura 4.7: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de quitosana
tratada com oxigênio. Figura 4.7a imagem frontal, figura 4.7b imagem em 3d. ....... 77
Figura 4.8: Ângulo de contato para a água............................................................... 79
Figura 4.9: Perfil da molhabilidade das amostras tratadas e não tratada durante 60
segundos. ................................................................................................................. 80
Figura 4.10: Gráfico representativo do ganho de massa. ......................................... 81
Figura 4.11: Gráfico da permeabilidade das membranas de quitosana em relação ao
fármaco sulfamerazina de sódio. .............................................................................. 82
Figura 4.12: Gráficos das permeações das membranas tratadas e não tratadas com
as duplicatas. Figura 4.12a: gráfico da permeação da QUI NT, Figura 4.12b: gráfico
da permeação da QUI N2, Figura 4.12c: gráfico da permeação da QUI CH4, Figura
4.12d: gráfico da permeação da QUI Ar, Figura 4.12e: gráfico da permeação da QUI
O2, Figura 4.12f: gráfico da permeação da QUI H2, .................................................. 85
Figura
4.13:
Gráficos
da
permeação
do
fármaco
sulfamerazina
de
sódio.......................................................................................................................... 86
Lista de Tabelas
Tabela 3.1
Tabela 4.1
Tabela 4.2
Tabela 4.3
Parâmetros que se mantiveram fixos durante o
tratamento por plasma.
Valores de rugosidade e de altura máxima dos
picos.
Valores de Permeabilidade.
Concentração de fármaco no compartimento A
após 50 minutos.
60
74
83
86
Lista de Abreviaturas e Símbolos
AA – Ácido acrílico
ATD – Análise térmica diferencial
AVS – Ácido vinil sulfúrico
CED – Calorimetria exploratória diferencial
DMA – Análise térmica dinâmico-mecânica
DVQPA – Deposição a vapor químico por plasma assistido
EES – Espectroscopia de emissão ótica
EFE-RX – Espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios - X
EIRTA - Espectroscopia de infravermelho de reflexão total atenuada
HMDS - Hexametildissilazana
MEV – Microscopia eletrônica de varredura
MFA – Microscopia de força atômica
NT – Não tratada
P – Permeabilidade
PEO – Poli (óxido de etileno)
PSf– Polisulfona
QUI Ar – Membrana de quitosana tratada com plasma de argônio
QUI CH4 – Membrana de quitosana tratada com plasma de metano
QUI H2 – Membrana de quitosana tratada com plasma de hidrogênio
QUI N2 – Membrana de quitosana tratada com plasma de nitrogênio
QUI NT – Membrana de quitosana não tratada
QUI O2 – Membrana de quitosana tratada com plasma de oxigênio
Ra – Rugosidade média aritmética
SLFs – Sistema de liberação de fármacos
TG – Análise termogravimétrica
UV/visível – Espectroscopia de absorção na região do ultravioleta/visível
θ - Ângulo de contato
σ sv - Tensão resultante da interação sólido - vapor
σ lv - Tensão resultante da interação líquido – vapor
σ sl - Tensão resultante da interação sólido – líquido
Sumário
1 - Introdução ........................................................................................................... 16
2 - Revisão Bibliográfica ........................................................................................... 19
2.1 – Quitosana ........................................................................................................ 19
2.1.1 Membranas de Quitosana ............................................................................... 24
2.2 - Sistema de Liberação de Fármacos ................................................................. 26
2.2.1 - Polímeros em Sistemas de Liberação de Fármacos ..................................... 29
2.3 - Sulfonamidas .................................................................................................... 32
2.3.1 - Sulfamerazina de Sódio ................................................................................ 33
2.4 – Modificação Química de Polímeros. ................................................................ 34
2.5 – Modificação de Polímeros por Plasma ............................................................ 36
2.5.1 - Plasma .......................................................................................................... 39
2.6 – Diagnóstico de Plasma por Espectroscopia de Emissão Ótica (EEO)............. 41
2.7 - Microscopia de Força Atômica (MFA) .............................................................. 42
2.8 – Medidas do Ângulo de Contato ....................................................................... 44
2.9 - Ensaio de Absorção ......................................................................................... 46
2.10 - Ensaios de Difusão e Permeação .................................................................. 48
2.10.1 - Difusão ........................................................................................................ 48
2.10.2 - Difusão Através de Membranas .................................................................. 50
2.10.3 - A Constante de Permeabilidade .................................................................. 51
2.10.4 - A Permeabilidade da Membrana ................................................................. 53
3 – Materiais e Métodos ........................................................................................... 56
3.1 – Materiais .......................................................................................................... 56
3.2 - Preparação das Membranas ............................................................................ 56
3.3 - Tratamentos por Plasma .................................................................................. 57
3.4 – Técnicas de Caracterização ............................................................................ 59
3.4.1 – Diagnóstico por Espectroscopia de Emissão Ótica ...................................... 59
3.4.2 - Microscopia de Força Atômica (MFA) ........................................................... 61
3.4.3 – Medidas de Ângulo de Contato..................................................................... 61
3.4.4 - Ensaio de Absorção de Água ........................................................................ 62
3.4.5 - Ensaio de Permeação ................................................................................... 63
3.4.6 - Cálculo da Permeabilidade das Membranas ................................................. 65
4 – Resultados e Discussão ..................................................................................... 69
4.1- Diagnóstico por Espectroscopia de Emissão Ótica (EEO) ................................ 69
4.2 - Microscopia de Força Atômica ......................................................................... 73
4.3 – Medidas de Ângulo de Contato ....................................................................... 77
4.4 - Ensaios de Absorção........................................................................................ 80
4.5 - Ensaios de Permeação .................................................................................... 82
5 – Conclusões ......................................................................................................... 89
Referências .............................................................................................................. 91
Capítulo 1
Introdução
16
Introdução
1 - Introdução
Nesses últimos anos, a indústria farmoquímica tem-se destacado pelo uso
e aproveitamento de matérias primas de baixo custo e fácil, como por exemplo,
os materiais poliméricos. Esses estão sendo utilizados na liberação controlada
de fármacos (TRINDADE, 2004).
Dentre esses materiais podemos citar as membranas poliméricas.
Polímeros biodegradáveis naturais e/ou sintéticos, estão sendo utilizados na
fabricação destas membranas, mas apenas alguns têm demonstrado
biocompatibilidade. Entre os polímeros que se destacam pela excelente
biocompatibilidade estão os polissacarídeos. Como exemplo tem-se a
quitosana
que
devido
sua
à
abundância,
biocompatibilidade,
biodegradabilidade e baixa toxicidade tem se destacado entre os polímeros
polissacarídicos utilizados em sistemas carreadores de fármacos (FREIRE,
2006; DODANE, 1998).
Além disso, a quitosana foi um dos biopolímeros mais citados em um
estudo de monitoramento tecnológico e mercadológico de biopolímeros,
obtendo o 2º lugar dentre os biomateriais mais citados e em número de
patentes (BORSCHIVER, 2008).
As membranas de quitosana possuem uma boa resistência mecânica
aliada a uma permeabilidade molecular seletiva. Devido a estas características,
membranas de quitosana estão sendo utilizadas em: empacotamento de
alimentos, pele artificial, cicatrização de ferimentos, sistemas de liberação de
drogas e outras aplicações. A permeabilidade das membranas de quitosana é
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Introdução
17
afetada por vários fatores como: espessura do filme, grau de desacetilação,
massa molar e grau de molhabilidade (CHEN, 2002).
Atualmente esforços têm sido realizados para modificar o grau de
molhabilidade das membranas, ajustando a superfície hidrofílico-hidrofóbica,
com o objetivo de alterar a permeabilidade. A modificação da permeabilidade
das membranas de quitosana é de suma importância no estudo do tratamento
de água, ultrafiltração (hemodiálise) e liberação de fármacos (WANG, 2001).
Visando ampliar a faixa de permeação em membranas de quitosana é que
se propõe o presente trabalho. O tratamento por plasma tem-se mostrado
como uma técnica particularmente interessante para transformar membranas
poliméricas. Essa técnica altera somente a natureza química e morfológica da
superfície das mesmas, sem a necessidade de adicionar outro polímero ou
modificar as propriedades volumétricas do material (WANG, 2001).
Nesse trabalho os aspectos teóricos referentes aos materiais e as
técnicas utilizadas na pesquisa são relatados no segundo capítulo. No terceiro
capítulo encontra-se descrita a metodologia empregada na preparação e
caracterização das membranas e diagnóstico do plasma. No quarto capítulo,
são apresentados e discutidos os resultados experimentais obtidos e por fim no
quinto capítulo, são apresentadas as conclusões alcançadas no trabalho.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica
Revisão Bibliográfica
19
2 - Revisão Bibliográfica
2.1 – Quitosana
Embora as pesquisas e publicações sobre quitosana sejam bem atuais, seu
uso não é recente. Antigos pescadores japoneses e o exército dos Estados Unidos
já a utilizavam como agente homeostático e cicatrizante (HAMILTON, 2006). Por se
tratar de um polímero natural, biodegradável, biocompatível, extremamente
abundante e de baixa toxicidade (DL50 em ratos é de 16g kg-1, por via oral) a
quitosana tem sido proposta como um material potencialmente atraente para usos
diversos, principalmente em engenharia, biotecnologia e medicina (HIRANO, 1990;
CHANDY, 1990).
As indicações mais comuns são seu emprego como meio complexante de íons
metálicos, em revestimentos por sua ação antifúngica e bactericida (ASSIS, 2007) e
em matrizes para liberação controlada de drogas (ATCHE, 2000). Também
fartamente divulgado, embora ainda que controverso, é o seu uso como um agente
ativo no emagrecimento humano por sua interação com as gorduras e estruturas
afins (fatter trapper) (ASSIS, 2007).
A quitosana é um polissacarídeo amino, derivado do processo de desacetilação
alcalina da quitina (Figura 2.1). Esse processo envolve a remoção de proteínas e a
dissolução dos sais orgânicos. Fatores como a concentração de hidróxido de
sódio/potássio, temperatura e tempo de reação, determinam o grau de desacetilação
e a massa molar da quitosana obtida. Para ser considerado quitosana, o grau de Ndesacetilação deve estar entre 40 e 98% e a massa molar entre 1x105 e 1,2x106Da
(SANDFORD, 1988; MUZZARELLI, 1986).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
20
Figura 2.1: Esquema do processo para obtenção de quitina e quitosana
(SANDFORD, 1988).
A quitina constitui a maior fração dos exoesqueletos dos insetos e crustáceos
tais como caranguejo, camarão e lagosta e também da parede celular de alguns
fungos. Sendo assim é considerada como o segundo polímero natural mais
abundante da natureza, ficando atrás apenas da celulose (KUMAR, 2004; RATHKE,
1994).
A estrutura da quitosana é muito similar à de sua precursora quitina (Figura
2.2). A diferença está na presença de um grupo amino (NH2) na posição 2 do anel
glicopiranosídeo no caso da quitosana, enquanto que na quitina tem-se a presença
do grupo acetamido (NHCOCH3) (LIMA, 2006). A celulose é outro polímero natural
que possui similaridade com a quitosana, neste caso ao invés do grupo amino na
posição 2 do anel glicopiranosídeo tem-se a presença dos grupos hidroxila (OH)
(ASSIS, 2003).
Estruturalmente a quitosana é um polissacarídeo linear com um número
variável (em função do grau residual de acetilação) de grupos N-acetil-glucosamina,
aleatoriamente localizados, podendo ser definida como um copolímero de 2-amino2deoxi-D-glicopiranose e 2-acetamido-2-deoxi-D-glicopiranose, cujas unidades são
unidas por ligações β (1-4) (TRINDADE, 2004).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
21
Revisão Bibliográfica
Figura 2.2: Representação esquemática da estrutura química da quitina, celulose e
quitosana, sendo n o grau de polimerização (ASSIS, 2003).
A quitosana é um biopolímero insolúvel em água e solúvel na maior parte dos
ácidos orgânicos, como ácido acético, fórmico, cítrico, além de ácidos inorgânicos
como ácido clorídrico diluído, resultando em soluções viscosas. Tal solubilização se
deve à presença de grupos amino na estrutura da quitosana. Em meio ácido, é um
polieletrólito catiônico, que tem seus grupos amino protonados (NH3+), conferindo à
molécula cargas positivas. Sendo um policátion, a quitosana pode formar complexos
eletrostáticos
com
espécies
carregadas
negativamente
incluindo
proteínas,
polímeros, fármacos e outros ânions de baixa massa molar (ZHANG, 2002; LIMA,
2006).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
22
Revisão Bibliográfica
Atualmente a quitosana tem despertado muito interesse em aplicações médicas
e farmacêuticas. A principal razão para este crescente interesse é, indubitavelmente,
devido às suas propriedades farmacológicas intrínsecas como, ação hipolipêmica
(reduz a absorção de gorduras), tratamento de osteoartrite, efeito analgésico, efeito
hipocolesterolêmico
e
propriedades
biológicas
como
efeito
bacteriostático,
coagulante e ação cicatrizante. Acredita-se que essas propriedades são em virtude
dos seus produtos de degradação, os oligômeros de N-acetil-D-glucosamina (LIMA,
2006; SILVA, 2006).
Esses
oligômeros
são
totalmente
absorvíveis
pelo
organismo
sendo
metabolizados por enzimas humanas e por isso, a quitosana é considerada um
material
biodegradável.
Outra
propriedade
que
a
quitosana
possui
é
a
bioadesividade. Isso se deve aos seus grupos (NH2 e OH) sofrerem protonação em
certos pH fisiológicos e interagirem eletrostaticamente, com cargas negativas na
mucosa ou superfícies celulares (LIMA, 2006).
O potencial da quitosana para aplicação bio/mucoadesividade foi reforçado pelo
primeiro relato de Illum (1994), sobre a capacidade que a quitosana possui de
promover a absorção transmucosa de pequenas moléculas polares, bem como de
drogas peptídicas e protéicas para o epitélio nasal. Posteriormente, Artursson (1994)
relatou que a quitosana pode aumentar a permeabilidade de drogas peptídicas via
mucosa epitelial intestinal. Além disso, é um promissor material bioadesivo em pHs
fisiológicos, por possuir grupos OH e NH2 que podem promover pontes de
hidrogênio, propriedade considerada essencial para mucoadesão; termo esse
usado, porque a interação é restrita à camada mucosa.
Quando quitosana está exercendo a função de sistema carreador de fármaco,
essa interação pode resultar em um aumento no tempo de permanência desse
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
23
Revisão Bibliográfica
sistema nos sítios específicos de absorção do fármaco, liberando-o controladamente
e
melhorando
a
sua
biodisponibilidade
(Figura
2.3).
Esta
característica
bio/mucoadesividade tem potencializado seu uso como carreador para liberação
controlada e sustentada de agente farmacêuticos, incluindo prednisolona, albumina,
cisplatina, diclofenaco sódico e melantonina e, ainda, para liberação sustentada de
agentes quimioterápicos (THANOU, 2001).
Figura 2.3: Escaneamento do comprimido de quitosana no corpo humano utilizado
para liberação de fármaco no cólon. (a) 60 minutos após a administração o
escaneamento mostra que o comprimido chegou ao cólon humano intacto. (b) 305
minutos após a administração - início da desintegração e expansão do comprimido.
(c) 365 minutos - ascensão e expansão extensiva. (d) 405 minutos - expansão
extensiva para o cólon transversal (KUMAR et. al., 2004)
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
24
Revisão Bibliográfica
Por tudo isso, a quitosana vem sendo considerada um promissor material para a
preparação das mais diferentes formas físicas de liberação controlada, tais como,
micropartículas, microesferas, nanoesferas, géis e membranas. (LIMA, 2006).
2.1.1 Membranas de Quitosana
Na área médica a utilização de membranas poliméricas tem se desenvolvido a
partir da necessidade de obtenção de materiais biocompatíveis. Esses devem
possuir propriedades mecânicas e características de permeação ideais para originar
membranas seletivas que possam ser utilizadas na obtenção de curativos, diálise e
sistemas de liberação de fármacos (OKAMOTO, 2003; KHOR, 2003). Para
desempenhar estas funções, polímeros naturais são preferenciais, pois apresentam
um menor índice de rejeição e assim maior biocompatibilidade quando comparados
aos polímeros sintéticos. Outra característica importante dos polímeros naturais é a
biodegradabilidade diminuindo assim o impacto ambiental causado pelo acúmulo de
resíduos no meio ambiente (PILLAI, 2001; TRINDADE, 2004).
Devido à existência de ligações de hidrogênio inter e intramoleculares nos
resíduos D-glucosamina na quitosana, esta possui excelentes propriedades de
formação de filmes e fibras, transformando a quitosana em um dos promissores
polímeros utilizados na preparação de membranas (CHAO, 2004).
As membranas de quitosana foram descritas e caracterizadas pela primeira vez
por Muzzzarelli (1978). Membranas de quitosana para aplicação biomédica
funcionam como barreira, imitando a pele. Além disso, a quitosana é utilizada em
outras
aplicações
como
osmose
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
reversa,
quelante
de
metais
pesados,
Revisão Bibliográfica
25
pervaporação, na ultrafiltração (hemodiálise) e como padrões de referência em
sistemas de liberação de fármacos (DUREJA, 2001; DODANE, 1998).
A técnica mais simples para a preparação das membranas de quitosana é a
evaporação de solvente em uma solução de quitosana sobre uma placa de vidro
que, geralmente, produz membranas resistentes e transparentes, com elevada
absortividade à água e lenta degradação enzimática pela lisoenzima, presente em
tecidos e fluidos corporais de mamíferos (BEPPU, 1999).
Uragami (1997) estudou a preparação de membranas de quitosana destinadas
à separação de água-etanol por pervaporação e membranas heparinizadas, para
imobilização de enzimas e transporte de espécies iônicas. Ren e colaboradores
(1998) estudaram o processo de transporte da solução água-etanol nas membranas
de quitosana natural e reticulada com ácido sulfúrico. Sakurai (1997) estudou
membranas de quitosana aplicadas à separação e concentração de proteínas.
Beppu e colaboradores (1999) estudaram a síntese e caracterização de
membranas densas e porosas de quitosana através de microscopia eletrônica de
varredura (MEV), microscopia de força atômica (MFA), titulação potenciométrica e
espectroscopia de infravermelho. O agente reticulante escolhido para tal trabalho foi
o glutaraldeído. As membranas densas mostraram-se mais resistentes que as
porosas, através do glutaraldeído, foi possível tornar as membranas mais resistentes
do ponto de vista físico, químico e microbiológico, como também torná-la mais
hidrofóbica.
Silva (2006) desenvolveu membranas de quitosana assimétricas utilizando uma
camada de DNA na superfície da membrana. Analisando suas propriedades
mecânicas pode-se evidenciar que estas membranas são adequadas ao uso como
curativo cirúrgico.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
26
Revisão Bibliográfica
2.2 - Sistema de Liberação de Fármacos
A introdução de novos fármacos na terapêutica tem se tornado um processo
muito oneroso. Em razão disso, pesquisas de novas alternativas tecnológicas que
aumentem a eficiência de fármacos já conhecidos têm sido intensificadas. Muitas
destas alternativas têm sido focadas no desenvolvimento de sistemas de liberação
de fármacos (AZEVEDO, 2002).
A tecnologia de liberação de fármacos representa uma das fronteiras da ciência,
a qual envolve diferentes aspectos multidisciplinares e pode contribuir muito para o
avanço da saúde humana. Os sistemas de liberação, são freqüentemente descritos
como “drug delivery systems”
e incluem a liberação modificada, sustentada,
retardada, programada e controlada, entre outros. No entanto a terminologia mais
aceita é a que designa o termo geral como liberação controlada, pois denota que o
sistema está apto a prover um real controle terapêutico, seja de maneira temporal,
controlando o tempo de liberação, ou espacial, através da vetorização de fármacos
para locais específicos (AZEVEDO, 2002).
Essa tecnologia proporciona algumas vantagens em relação aos sistemas
convencionais de liberação de fármacos: (Figura 2.4)
• Melhoria da eficácia,
• Diminuição da toxicidade,
• Liberação do fármaco no local específico de ação (direcionamento de
fármacos),
• Mascaramento do sabor/odor desagradável de alguns fármacos,
• Diminuição do número de doses diárias,
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
27
• Tratamento contínuo, sem administrações noturnas,
• Proteção do fármaco de uma eventual degradação pelos componentes dos
fluidos biológicos, nomeadamente dos fluidos gástricos,
• Diminuição ou mesmo desaparecimento dos picos plasmáticos,
• Diminuição ou eliminação dos efeitos locais e sistêmicos,
• Otimização da administração de produtos oriundos da biotecnologia, tais
como vacinas, entre outras.
Figura 2.4: Perfis da liberação de drogas em função do tempo: A – Liberação
controlada x B - Liberação convencional (adaptado de AZEVEDO, 2002).
Embora o uso de formas farmacêuticas de ação controlada tenha sido uma
grande melhoria na área farmacológica, inconvenientes com relação ao transporte
de medicamentos podem existir, por exemplo, se a velocidade de eliminação do
fármaco for lenta (ANSEL, 2000).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
28
Revisão Bibliográfica
O desenvolvimento de dispositivos de liberação controlada tem suas razões
fundamentadas em três fatores:
•
O direcionamento de fármacos para locais específicos de liberação, com
conseqüente aumento da eficácia, prevenindo a degradação ou inativação
do fármaco durante o trânsito até o local específico de ação. Desse modo,
o organismo torna-se protegido de reações adversas provenientes da
liberação em locais inespecíficos;
•
Necessidade do desenvolvimento de sistemas capazes de promover a
administração de produtos oriundos da biotecnologia e da engenharia
genética, por exemplo, os peptídeos e proteínas, etc;
•
A
geração
de
novas
patentes
de
produtos
contendo
fármacos
convencionais com o uso desta tecnologia. Isto constitui um motivo
especial para a indústria desenvolver medicamentos de liberação
controlada.
Desse
modo,
a
indústria
farmacêutica
tem
investido
grandemente neste setor tecnológico, devido ao alto retorno financeiro que
ele proporciona mesmo a longo prazo (ALLEN, 2007).
A utilização de formas farmacêuticas de liberação controlada veio lançar uma
clara esperança de melhoria da terapêutica das doenças crônicas. Tal tratamento
pode ocorrer por toda a vida do paciente. Alguns dos mecanismos mais comuns
utilizados na obtenção de sistemas de liberação de fármacos com a velocidade
controlada são (TRINDADE, 2004):
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
29
Revisão Bibliográfica
•
Ação solvente dos líquidos biológicos sobre as partículas revestidas (
microesferas, micro e nanopartículas).
•
Sistemas
osmóticos
baseados
em
membranas
semipermeáveis
controladas pela difusão dos líquidos biológicos através de um polímero.
•
Sistemas passiveis de erosão controlada de uma matriz polimérica;
•
Bioadesivos que atuam por reação química ou interação entre o fármaco
ou sistema de liberação e líquidos biológicos com especificidade para
determinados locais;
•
Lipossomas, uma classe de estruturas vesiculares baseada em
bicamadas lipídicas ao redor de um compartimento aquoso, tipicamente
composto de fosfolipídeos e\ou colesterol.
•
Sistemas de difusão controlados pela difusão do fármaco através de
uma membrana polimérica;
A melhoria no desenvolvimento de sistemas de liberação modificada depende
estritamente da seleção de um agente apropriado capaz de controlar a liberação do
fármaco, sustentar a ação terapêutica ao longo do tempo e/ou de liberar o fármaco
ao nível de um determinado tecido ou órgão alvo. Dentre as várias opções, os
polímeros são agentes versáteis e promissores para exercer tal função (LOPES,
2005).
2.2.1 - Polímeros em Sistemas de Liberação de Fármacos
Os polímeros são uma das classes de materiais mais versáteis e têm mudado
nosso cotidiano por várias décadas com importantes aplicações na área médica,
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
30
agricultura e engenharia. A fusão da ciência de polímeros com as ciências
farmacêuticas conduziu a um avanço espetacular em termos de “inovação”
(flexibilidade no estado físico, forma, tamanho e superfície) no design e
desenvolvimento de novos sistemas de liberação de fármacos (SLFs) (LANGER,
2003).
Dentre as várias propriedades dos polímeros, algumas demonstram serem
mais importantes na elaboração de um sistema de liberação de fármacos como
permeabilidade, molhabilidade, solubilidade, energia de superfície. Além disso, o pH
e temperatura de transição vítrea também são importantes (ZHU, 2002).
A permeabilidade está diretamente ligada a difusão das moléculas do fármaco.
Se o polímero possuir um elevada taxa de permeação ou uma permeação muito
baixa a liberação do fármaco não ocorrerá de forma controlada. A molhabilidade e
solubilidade determinam a capacidade de sorção de água dos polímeros, essa
capacidade determina a velocidade de degradação e intumescimento do polímero
(ZHU, 2002).
A energia de superfície está relacionada à adesão dos polímeros, pois quanto
maior for a energia de superfície mais átomos livres o polímero terá, favorecendo
assim a adesão/ligação com outras substâncias. A temperatura de transição vítrea
também é outro fator importante na seleção dos polímeros. Esses devem possuir
uma baixa temperatura de transição vítrea, em virtude da sensibilidade térmica de
muitos fármacos. (ZHU, 2002).
Dependendo do mecanismo de liberação, o pH do polímero também pode ser
uma importante propriedade. Polímeros com pH neutro são preferenciais, pois,
evitam a interação entre eles e o fármaco. (RIOS, 2005).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
31
O uso de polímeros biodegradáveis contribuiu para a melhoria destes sistemas,
visto que eles não requerem remoção cirúrgica e apresentam poucos efeitos
colaterais. Matrizes poliméricas biodegradáveis já são biocompatíveis e degradáveis,
isto é degradam in vivo em fragmentos menores que podem ser excretados pelo
corpo. Estes produtos de degradação não são tóxicos, e não devem criar nenhuma
resposta inflamatória. Polímeros biologicamente degradáveis incluem, portanto
(AZEVEDO 2002):
•
Polímeros naturais: são sempre biodegradáveis como, por exemplo, o
colágeno, a celulose e a quitosana e são muito utilizados como matrizes em
liberação de fármacos. Um exemplo é a aplicação de quitosana enxertada
com poli (ácido acrílico), formando um copolímero, na confecção de
nanoesferas para se estudar a liberação controlada em função do tempo. A
eosina, um corante solúvel em água, é utilizada como marcador nestes
sistemas (AZEVEDO 2002).
•
Polímeros sintéticos: são também largamente utilizados, como, por
exemplo, poli (etileno), poli (álcool vinílico), poli (ácido acrílico), poli
(acrilamidas), poli (etilenoglicol), poliésteres (AZEVEDO 2002).
Atualmente vários estudos in vitro e in vivo sobre liberação controlada são
realizados utilizando a quitosana e diferentes fármacos (Rifampsina (tuberculose),
Diclofenaco de sódio, Sulfato de ferro, Enrofloxacina (antibiótico veterinário) e
sulfonamidas) (NASCIMENTO, 2001; TRINDADE, 2004).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
32
2.3 - Sulfonamidas
Em uma descoberta marcante nos anos de 1930, Dogmagk demonstrou que era
possível que um fármaco influenciasse a evolução de uma infecção bacteriana. O
agente era o prontosil, um contraste que se comprovou ser um pró-fármaco inativo
que é metabolizado in vivo para originar o produto ativo, sulfanilamida (Figura 2.5)
(RANG, 2007). Muitas sulfonamidas, ou simplesmente sulfas, foram desenvolvidas
desde então. As sulfonamidas são comumente empregadas como denominação
genérica dos derivados do ácido para-aminobenzenossulfonamida. As sulfas formam
um dos primeiros grupos de agentes quimioterápicos utilizados para o tratamento de
infecções bacterianas, sendo também utilizada contra vírus dos gêneros BedsoniaMiyagawanella e Chlamydozoon. As sulfas deram origem a outros compostos de
grande valor terapêutico, como exemplo os diuréticos tiazídicos e as sulfoniluréias
com atividade hipogliceminante (AULTON, 2005; SILVA, 1998).
Figura 2.5: Representação esquemática da sulfanilamida (RANG, 2007).
As sulfas podem ser classificadas de acordo com diversos critérios, como por
exemplo, o espectro de atividade, duração de ação, usos terapêuticos e estrutura
química. Usando a classificação de acordo com a aplicação terapêutica, temos as
sulfas de ação sistêmicas e as sulfas de ação tópica. As sulfas são na maioria das
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
33
Revisão Bibliográfica
vezes administradas por via oral. O uso tópico é geralmente ineficaz, pois sua ação
é inibida pela presença de pus e fragmentos celulares. Entretanto, as sulfas de uso
tópico podem ser aplicadas no saco conjuntival, canal ótico e vaginal. As sulfas são
bem absorvidas no trato gastrointestinal, exceto aquelas de ação intestinal (RANG,
2007).
Quanto às propriedades físico-químicas, as sulfas apresentam-se na forma de
pós- brancos cristalinos, geralmente pouco solúveis em água. Sendo ácidos fracos,
formam sais com bases. Os sais sódicos são muito hidrossolúveis e assim são mais
empregados
na
terapêutica.
Nas
doses
usuais
as
sulfas
são
agentes
bacteriostáticos, mas quando altas concentrações são alcançadas no organismo,
como ocorre no tratamento de infecções urinárias, as sulfas passam a apresentar
ação bactericida (RANG, 2007).
2.3.1 - Sulfamerazina de Sódio
A sulfamerazina ou 4-amino-N-(4-metil-2-pirimidinil) benzenossulfonamida
(Figura 2.6) é classificada, de acordo com seu uso terapêutico e duração de ação no
organismo, como um agente antibacteriano sistêmico de ação curta, sendo
necessário administrar doses do fármaco em intervalos de 4 a 6 horas para garantir
uma atividade antibacteriana adequada. O grupo de sulfonamidas sistêmicas de
ação curta é muito utilizado para o tratamento de infecções urinárias, tendo
vantagem sobre as sulfas de longa duração por que seu uso pode ser rapidamente
interrompido com o aparecimento de reações adversas. A sulfamerazina possui
baixa solubilidade quando comparada com as outras sulfas, ocasionando uma fraca
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
34
ação bacteriostática, sendo assim mais comumente utilizada com outros fármacos
(RANG et. al., 2007).
Figura 2.6: Representação esquemática da sulfamerazina de sódio (TRINDADE,
2004).
2.4 – Modificação Química de Polímeros.
A ciência dos polímeros tem sido o eixo principal para o desenvolvimento de
novos sistemas de liberação de fármacos (SLFs) nas últimas décadas. Avanços na
ciência dos polímeros estão baseados em modificações das propriedades químicas
e físicas dos polímeros, e em novas combinações de copolímeros com objetivos e
componentes que podem liberar uma ampla variedade de agente bioativos. Através
da modificação das propriedades dos polímeros, um sistema de matriz pode ser
elaborado para uma liberação controlada do fármaco (ALLENDER, 2000; GHADERI,
2000).
Em estudo, Thacharodi (1993) desenvolveu membranas de quitosana com
diferentes características de permeabilidade devido a sua reticulação com o
glutaraldeído e as utilizou em sistemas de liberação controlada de drogas. Os
estudos de permeabilidade das membranas foram realizados com um antihipertensivo. As técnicas de espectroscopia na região do infravermelho, MEV,
absorção de água e ensaios de permeabilidade foram empregadas neste estudo. Os
resultados obtidos indicaram que a permeabilidade das membranas pode ser
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
35
alterada pela reticulação com o glutaraldeído e que as membranas de quitosana
mostraram um grande potencial no uso de sistemas de liberação controlada de
drogas anti-hipertensivas.
Oliveira (2006) desenvolveu membranas de complexos polieletrolíticos de
quitosana e poli-ácido acrílico para estudo da permeabilidade do fármaco
sulfamerazina de sódio. Tais membranas apresentaram uma diminuição nos valores
de permeabilidade devido à formação de complexos polieletrolítico. Lima (2006)
também estudou membranas de quitosana com poli-ácido acrílico para a permeação
do fármaco metronidazol. Tais membranas foram caracterizadas por MEV e
espectroscopia de infravermelho e mostraram-se termicamente estáveis e menos
permeáveis ao fármaco utilizado.
Trindade (2004) estudou as propriedades térmicas e de permeabilidade da
membrana de quitosana modificadas através da reticulação com glutaraldeído e
através da mistura da quitosana com o poli-óxido de etileno (PEO). As três
membranas obtidas (Pura, reticulada e misturada com PEO) foram caracterizadas
quanto às suas propriedades térmicas por análise termogravimétrica (TG), análise
térmica diferencial (ATD), calorimetria exploratória diferencial (CED) e análise
térmica dinâmico-mecânica (DMA) e também quanto a sua permeabilidade em
relação ao fármaco sulfamerazina de sódio através da espectroscopia de absorção
na região do ultravioleta/visível (UV/visível). Através das técnicas de análise térmica
foi possível mostras as diferenças, tanto na capacidade de retenção de água das
membranas, quanto na intensidade da interação da água com o polímero, para as
diferentes membranas estudadas. Nos ensaios de permeação, houve um aumento
da permeabilidade para as membranas com PEO e um aumento maior ainda para as
membranas reticuladas, pois estas apresentaram um baixo grau de reticulação.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
36
Atualmente tem-se proposto a modificação das membranas de quitosana por
plasma. Estas estão sendo estudadas quanto a permeabilidade para fármacos
(WANG, 2001), gases (ASSIS, 2007) e para proliferação e adesão celular (PÉREZ,
2007).
2.5 – Modificação de Polímeros por Plasma
Desde 1960 o tratamento de superfícies poliméricas a plasma tem sido aplicado
em vários campos de estudo, tais como: eletrônica, têxtil e medicina. A maioria
dessas aplicações usa plasma de baixa pressão e temperatura. Devido à
versatilidade do plasma, o resultado da sua interação com a superfície do polímero
muda as propriedades físicas e químicas do mesmo, tais como: coeficiente de
fricção, energia superficial (molhabilidade e adesão), permeabilidade entre outras
(KAMISKA, 2002).
Thiré (2004) estudou a redução da hidrofilicidade de filmes biodegradáveis à
base de amido por meio de polimerização por plasma. Naquele trabalho filmes
termoplásticos foram recobertos com uma fina camada protetora polimérica gerada
por intermédio da tecnologia de plasma frio. 1-Buteno e 1,3-Butadieno foram
utilizados como monômeros para polimerização por plasma. Os filmes apresentaram
uma redução de 80% na absorção de água e aumento do ângulo de contato em
relação à água.
Vidaurre (2002) estudou a influência do tempo de exposição e o
bombardeamento de partículas do plasma de rafiofrequência, utilizando como gás
de trabalho o argônio, nas propriedades de permeabilidade das membranas de
Polisulfona (PSf). Tais membranas foram caracterizadas por microscopia de força
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
37
atômica (MFA), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de
fotoelétrons excitados por raios – x (EFE – RX). Os níveis de potência usados foram
5, 10, 15 W e o tempo utilizado foi de 1 a 50 minutos. Foi observado que houve uma
redução na permeabilidade ao gás em membranas tratadas com plasma de baixa
potência (5w) e um período curto de exposição (20 minutos). Verificou-se também
que um alto bombardeamento de partículas e/ou um longo período de exposição ao
plasma causa a degradação do polímero.
Esposito e colaboradores (2007) estudaram as interações entre células Vero e
suportes de poli(ácido láctico–co–ácido glicólico) (PLGA) previamente tratados por
plasma de oxigênio, com o objetivo de aumentar a hidrofilicidade da superfície
desses materiais. As membranas de PLGA tratadas mostraram características
desejáveis, onde as células apresentaram uma melhor adesão nas superfícies
tratadas com plasma. O tratamento por plasma de O2 promoveu um aumento na
hidrofilicidade das amostras estudadas, observando-se, nas membranas tratadas,
uma queda nos valores dos ângulos de contato e aumento na rugosidade das
superfícies das amostras, proporcionando uma boa adesão celular.
Pérez e colaboradores (2007) induziram modificação por polimerização de
enxertia em membranas de quitosana tratadas a plasma com o intuito de aumentar a
adesão de células osteoblásticas. O tratamento foi feito em 2 etapas. Primeiro foi
feito o tratamento com o gás oxigênio com o intuito de ativar a superfície e depois
realizou-se a polimerização por enxertia do monômero. Dois monômeros foram
utilizados a saber: o ácido vinil sulfúrico (AVS), usado como fonte de grupos
sulfúricos e o segundo foi o ácido acrílico (AA) usado para introduzir grupos
carboxílicos.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
38
Mudanças químicas e de energia na superfície foram caracterizadas por meio
de EFE – RX. Foram feitas medidas de ângulo de contato e espectroscopia de
infravermelho com transformata de Fourier. Adicionalmente, alterações na
morfologia da superfície foram investigadas por MEV. As análises de EFE - RX
confirmaram a enxertia na superfície das membranas da quitosana. Um pico S2s
aparece no exame do espectro do AVS e um pico de O-C=O emerge no C1s em alta
resolução no espectro após a enxertia com AA. Além disso, medidas do ângulo de
contato mostram um incremento nos valores da energia superficial polar para todas
as amostras tratadas, confirmando a adição de grupos polares por processos de
modificação (PÉREZ, 2007).
Através da espectroscopia de infravermelho de reflexão total atenuada (EIRTA)
não foi possível ver nenhuma diferença significativa entre as amostras tratadas e as
não tratadas. Este resultado confirma que somente as primeiras camadas
superficiais (pouco angstroms) foram modificadas, não alterando o bulk (volume) do
material (PÉREZ, 2007).
Os resultados revelaram que as amostras tratadas com plasma de O2 e
amostras tratadas com grupos sulfônicas melhoraram a adesão e proliferação
celular se comparada com as amostras não tratadas e as tratadas com AA (PÉREZ,
2007).
Zhu e sua equipe (2008) modificaram membranas de quitosana com plasma de
argônio para aumentar a hidrofilidade delas e promover a proliferação de células
fibroblásticas derivadas da pele humana. Os resultados mostraram que os ângulos
de contato de água destas membranas foram significativamente reduzidos de 60,76º
para 11,57º. Após o tratamento as membranas apresentaram um aumentou da
proliferação de células fibroblásticas derivadas da pele humana.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
39
Revisão Bibliográfica
Assis (2007) avaliou os efeitos da deposição de uma fina camada hidrofóbica
de silício sobre a superfície de filmes de quitosana. O objetivo era depositar um filme
hidrofóbico ao vapor de água com a finalidade de aumentar a utilidade em
embalagens e acondicionamento. A técnica de plasma frio foi usada para produzir
um filme de hexametildissilazana (HMDS) depositado sobre a superfície de filmes de
quitosana. O filme resultante era incolor e transparente. O efeito do tratamento na
superfície foi caracterizado através de medidas de ângulo de contato e grau de
inchamento. Foi observada uma redução significativa na hidrofilicidade e nas taxas
de transmissão de vapor de água, o que não ocorreu para o O2 e CO2.
Wang e colaboradores (2001) modificaram membranas de quitosana através do
plasma utilizando vapores de alcanos para controlar a taxa de permeação de drogas
e metabólitos solúveis em água. As membranas apresentaram redução da
hidrofilicidade e das taxas de permeação para uréia (54,0%), creatinina (83,3%),
ácido úrico (64,7%) e cis-DDP (47,6%).
2.5.1 - Plasma
Em um processo artificial o plasma é gerado pela diferença de potencial
aplicada entre dois eletrodos (cátodo e ânodo), contido em um sistema
hermeticamente fechado contendo um gás. Nesse sistema, elétrons e íons são
acelerados pelo campo elétrico, colidindo com outras espécies do gás. Esse impacto
provoca a liberação de mais elétrons, que novamente são influenciados pelo campo
elétrico e por sua vez colidem com outras partículas, ocasionando a ionização do
gás. Esse efeito é representado pela seguinte equação:
e − + G = G * + 2e −
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
(2.1)
Revisão Bibliográfica
40
onde: “G” é a partícula neutra do gás, “G*” o íon da mesma e o símbolo “e-”
representa o elétron.
O número de partículas que são ionizadas por esse processo em comparação
com o número total de partículas do ambiente de plasma é determinado pelo grau de
ionização. Este grau de ionização pode variar da ordem de 10-4 – 10-6 para gases
parcialmente ionizados até 1 no caso de gases totalmente ionizados
O tratamento a plasma tem-se mostrado como uma técnica eficiente na
modificação de superfícies e vários processos diferentes de modificação têm sido
utilizados, por exemplo, DVQPA (Deposição de Vapor Químico Assistido por
Plasma), polimerização a plasma e Etching.
O processo conhecido como DVQPA consiste na formação de sólidos
depositados por reações químicas iniciais no gás com uma descarga elétrica. Nele o
impacto de elétrons energéticos da descarga com moléculas dos gases no reator
resulta na formação de uma série de fragmentos reativos (átomos e moléculas em
estados neutros, ionizados e excitados, radicais livres, etc.). A recombinação destes
fragmentos dá origem a um material sólido que se deposita sobre as superfícies
próximas ou em contato com o plasma (SHOHET, 1991).
A polimerização a plasma é muito similar ao DVQPA. A diferença é que no
processo DVQPA utiliza-se gases inorgânicos e a polimerização utiliza gases
orgânicos (SHOHET, 1991). As vantagens deste processo incluem a baixa
temperatura do substrato, maior flexibilidade na escolha do material de partida e
uma grande versatilidade nas propriedades químicas e físicas do revestimento
(ALVES JR, 2001).
Por outro lado, os plasmas podem também ser gerados a partir de gases que
não resultam na deposição de filmes, como por exemplo, oxigênio (O2), nitrogênio
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
41
(N2), argônio (Ar), hidrogênio (H2), hélio (He), amina (NH3), hexafluoreto de enxofre
(SF6). Neste caso, o impacto ou a reação química de íons do plasma com o material
resulta na formação de sítios ativos (radicais livres, por exemplo) na superfície. Esta
superfície ativada pode sofrer um rearranjo molecular, como a formação de ligações,
por exemplo, ou então reagir posteriormente com espécies químicas colocadas em
contato com ela. Além disso, reações entre íons do plasma e a superfície do material
podem também resultar na remoção de espécies da superfície. Este mecanismo,
conhecido como Plasma Etching é frequentemente empregado para procedimentos
de limpeza, preparação de substrato para grafting ou recobrimento por DVQPA
(SHOHET, 1991). Por tais qualidades o tratamento a plasma tem se tornado um
importante processo industrial para a modificação da superfície de polímeros.
2.6 – Diagnóstico de Plasma por Espectroscopia de Emissão Ótica (EEO)
Esta é uma técnica importante para identificação de espécies atômicas,
moleculares e iônicas formadas no plasma e também suas quantidades relativas,
quando os parâmetros da descarga são variados. A principal vantagem dessa técnica
é a característica não perturbativa, evitando interferência nas condições reais do
processo, por isso ela é conhecida como uma técnica de análise “não invasiva’’
(BARBOSA, 2007). Através dessa técnica, a radiação eletromagnética emitida pela
descarga pode ser analisada fora do ambiente onde o material está sendo tratado.
A EEO é uma técnica que consiste em captar a radiação emitida pelo plasma.
Esta radiação é capturada e conduzida por uma fibra ótica até o monocromador. O
monocromador consiste de um conjunto de espelhos que direcionam a onda até uma
rede de difração que separa as radiações em comprimentos de onda as quais são
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
42
Revisão Bibliográfica
focalizadas sobre outros espelhos até um sensor ótico que converte a luz em corrente
elétrica. As leituras são interpretadas pelo “Spectrahub” e transformadas em dados
computacionais (BARBOSA, 2007).
Os dados são expostos em forma de gráficos cujos eixos indicam a intensidade
relativa “I” com respeito ao comprimento de onda “ λ ”. Precisamente, quando a
espécies emitem em determinado comprimento de onda, o sistema detecta aqueles
fótons e registra sua captura. Assim, quanto maior for a quantidade de fótons emitidos
naquele comprimento correspondente a transição de dois estados quânticos, maior
será
a
intensidade
relativa
registrada
pelo
espectrômetro.
Todo
espectro
eletromagnético pode ser varrido, dependendo da resolução ou capacidade do
sistema EEO de detectar tais extremos (BARBOSA, 2007).
Uma vez apresentado, o espectro eletromagnético traduz, em termos físicos, a
composição química do plasma, podendo-se obter, inclusive, sua evolução temporal
(BARBOSA, 2007).
2.7 - Microscopia de Força Atômica (MFA)
O microscópio de força atômica foi desenvolvido em meados de 1980 e nos
últimos anos tem trazido notáveis contribuições à ciência, em especial à biologia,
física, ciência dos materiais e microeletrônica (OLIVEIRA, 2006).
Ao contrário dos microscópios óticos ou eletrônicos, o MFA não utiliza lentes
para obtenção de imagens e não necessita de uma fonte de luz, nem de feixes de
elétrons. Esse equipamento usa uma sonda afiada de dimensões muito reduzidas
para ampliar as características da superfície. O MFA está sendo usado para
investigar materiais que incluem filmes finos e espessos, cerâmicas, compósitos,
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
43
Revisão Bibliográfica
membranas
sintéticas
e
biológicas,
metais,
semicondutores
e
polímeros
(FERREIRA, 2006).
O princípio de funcionamento do MFA baseia-se na varredura da superfície da
amostra por uma ponta de alguns micros de comprimento (100 µm a 120 µm) e
geralmente com menos de 20 nm de diâmetro, acoplada a um cantilever flexível. A
força entre a ponta e a superfície da amostra faz com que o cantilever se aproxime
ou se afaste. Essa deflexão é proporcional à força de interação. À medida que a
ponta varre a amostra ou a amostra é deslocada sob a ponta, os diferentes tipos de
“acidentes geográficos” encontrados sobre a superfície fazem com que a interação
elétrica mude. As variações das interações são tão fortes que provocam diferentes
deflexões. Essas diferenças, captadas no detector, são armazenadas e processadas
por um computador que as transformam em imagens topográficas da superfície bi e
tridimensionais. As principais forças que contribuem para a deflexão do cantilever
são as forças eletrostáticas de repulsão (Coulomb) e as forças atrativas de Van Der
Waals entre os átomos da ponteira e os átomos da superfície da amostra. Na
prática, outras forças tais como capilaridade ou forças eletrostáticas podem
contribuir para a imagem obtida, o que pode complicar a interpretação dos dados
obtidos (HYUN, 2000).
A técnica de MFA.; pode ser operada em três modos diferentes: contato, não
contato e contato intermitente (“tapping”). No modo contato, o cantilever é mantido a
poucos ângstrons da superfície da amostra e a força interatômica entre a ponta e a
amostra é repulsiva. Neste modo de operação, a ponta faz um leve “contato físico”
com a amostra produzindo imagens com alta resolução. No modo não contato, o
cantilever é mantido de dezenas a centenas de ângstrons distante da superfície da
amostra e a força interatômica entre a ponta e a amostra é atrativa. Esse modo não
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
44
Revisão Bibliográfica
contato não sofre os efeitos do atrito sobre a amostra, causado pela ponta. Por outro
lado este modo não tem encontrado aplicabilidade geral, devido à instabilidade entre
a ponta e as forças adesivas da superfície e a resolução reduzida pela distância
relativamente grande entre a ponta e a amostra. Esta limitação tem sido contornada
com a utilização do modo intermitente. O modo contato intermitente ou dinâmico é
similar ao não contato, exceto pelo fato de que, a ponta vibrante, fica mais próxima
da amostra (FERREIRA, 2006).
2.8 – Medidas do Ângulo de Contato
Com o desenvolvimento de novas técnicas de modificação de superfícies,
ampliou-se o uso de materiais para os mais diversos setores industriais,
principalmente no setor biomédico, pois é grande a contribuição que essas técnicas
trazem
na
modificação
de
propriedades
superficiais
como
molhabilidade,
biocompatibilidade, adesão celular, diferenciação celular, etc (BEAKE., 1998).
Todas essas propriedades físico-químicas estão sempre relacionadas com
medidas de ângulo de contato. Desse modo, medidas de ângulo de contato têm sido
amplamente usadas para monitorar propriedades superficiais, tais como, tensão
superficial crítica, componentes dispersivas e polares da energia superficial livre,
interações ácido-base na superfície, cristalinidade superficial, orientação superficial
dos
grupos
funcionais,
rugosidade
superficial,
contaminação
superficial
e
molhabilidade (BEAKE, 1998).
O ângulo de contato de uma superfície depende apenas das propriedades
físicas dos três meios de contato (sólido, líquido e vapor). A figura 2.7 ilustra uma
gota de um fluido em contato com o sólido num meio vapor (KWOK, 2000). A linha
pela qual as três fases se encontram é denominada “linha de contato”. O ângulo de
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
45
Revisão Bibliográfica
contato θ é determinado a partir de um balanço de forças devido às tensões
superficiais ao longo da linha de contato e é definido por:
⎛ σ sv − σ sl ⎞
⎟⎟
σ
lv
⎝
⎠
θ = cos −1 ⎜⎜
(2.2)
Onde: σ sv ,σ sl e σ lv são as tensões resultantes das interações entre os três
meios sólido, líquido e vapor (KWOK, 2000).
Figura 2.7 – Gota depositada sobre uma superfície sólida. Onde σsv, σlv e σls são as
tensões resultantes da interação entre os três meios sólido, líquido e vapor (KWOK,
2000).
O líquido gotejado sobre a superfície pode se comportar entre dois extremos:
espalhar-se sobre a superfície em contato ou minimizar o contato com a superfície,
isso dependerá das forças intermoleculares que se estabelecem entre as fases.
(KAMINSKA, 2002).
O comportamento da gota sobre a superfície indica diferentes situações de
molhabilidade de uma superfície: para (θ = 0 ) podemos dizer que a superfície
apresenta alta molhabilidade ou que é uma superfície hidrofílica, para (0º < θ < 90º )
diz-se que a superfície é predominantemente hidrofílica, para
superfície é predominantemente hidrofóbica e para
totalmente hidrofóbica ou não molhavél. (Figura 2.8)
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
(θ = 180º )
(90º < θ < 180º )
a
a superfície é
Revisão Bibliográfica
46
Figura 2.8: Ângulos de contato de líquidos com superfícies sólidas: (a) totalmente
hidrofílica; (b) predominantemente hidrofílica; (c) predominantemente hidrofóbica; (d)
totalmente hidrofóbica (FERREIRA, 2004).
O teste de ângulo de contato mostra-se como uma técnica eficiente para
caracterizar membranas de quitosana tratadas a plasma. Muitos autores têm
utilizado está técnica para observar o grau de molhabilidade de suas amostras.
Wang (2001) caracterizou membranas de quitosana tratadas por vapores de
alcanos pelo teste de ângulo de contato. Os resultados mostraram que a
hidrofilicidade diminuiu com o tempo de tratamento do plasma e potência do mesmo.
Assis (2007) modificou membranas de quitosana por plasma de deposição de
HMDS e o teste de ângulo de contato refletiu o sucesso do tratamento. As amostras
tiveram um aumento de 24º no ângulo de contato.
2.9 - Ensaio de Absorção
O ensaio de absorção tem sido muito utilizado para caracterizar membranas de
quitosana tratadas quimicamente ou por plasma. Esse ensaio consiste em colocar
as membranas imersas em água destilada e pesá-las em diferentes intervalos de
tempo. Através desse ensaio é possível observar dois fenômenos que ocorrem em
matrizes hidrofílicas utilizadas na liberação de fármacos, o intumescimento e a
erosão (Figura 2.9).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
47
Figura 2.9: Intumescimento e erosão em matrizes hidrofílicas (LOPES, 2005).
Na primeira fase da liberação de fármacos, as matrizes hidrofílicas (1), quando
em contato com os fluidos corporais, absorvem água. Após a hidratação ocorre o
início do intumescimento/relaxamento das cadeias poliméricas (2), a água continua a
penetrar na matriz. À medida que o núcleo seco fica hidratado a camada exterior
sofre erosão. Estes dois fenômenos ocorrem simultaneamente (3 e 4) (LOPES,
2005).
Quando a penetração da água na matriz excede um valor crítico de
concentração as cadeias poliméricas começam a se separar, alargando os espaços
onde a difusão do fármaco ocorre. Nesta fase a taxa de hidratação diminui
relativamente à taxa de erosão (5), as cadeias poliméricas dispersam-se na camada
mais externa, resultando em aumento da taxa de erosão. Em consequência do
aumento da distância entre as cadeias poliméricas, estas deixam de estar
interligadas entre si, separando-se com subsequente desintegração total do sistema
(6) (LOPES, 2005).
Trindade (2004) estudou o ganho de massa em membranas de quitosana pura,
tratadas com poli (óxido de etileno) e reticulada com glutaraldeído. As membranas
tratadas com poli (óxido de etileno) apresentaram maior grau de absorção do que as
membranas puras e as reticulada com glutaraldeído (TRINDADE, 2004).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Revisão Bibliográfica
48
Lima (2006) avaliou o ganho de massa em membranas pura e tratada com poli
(ácido acrílico) a 25% e a 60%. As três membranas apresentaram ganhos de
massas superiores a 90%, o que é uma indicação da forte afinidade desses
polímeros pela água. Na membrana pura o processo de intumescimento ocorre
muito rapidamente tendendo a um valor de equilíbrio o que não ocorreu com as
membranas tratada com poli (ácido acrílico).
Nas membranas tratada com poli – ácido acrílico o ganho de massa foi mais
gradual, não tendo atingido seus valores de equilíbrio. Isso pode ser consequência
do tratamento na superfície das membranas que ficaram reticuladas, fazendo com
que haja uma redução na velocidade de retenção de água pela membrana (LIMA,
2006).
Assis (2007) observou o ganho de massa ou grau de inchamento em
membrana de quitosana pura e tratada a plasma com HMDS. A membrana tratada a
plasma apresentou uma diminuição em 30% o grau de absorção em relação à
membrana não tratada comprovando que a deposição a plasma foi próspera em
criar uma superfície hidrofóbica em filmes de quitosana que inibiu a absorção de
água.
2.10 - Ensaios de Difusão e Permeação
2.10.1 - Difusão
Difusão é o transporte de massa de moléculas individuais, por uma barreira ou
espaço livre, que ocorre segundo um processo aleatório dependente do gradiente de
concentração. Esse processo é de considerável importância na ciência química e
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
49
Revisão Bibliográfica
farmacêutica, pois é o principal meio de liberação de fármacos através de estruturas
poliméricas tais como filmes e microesferas (OLIVERIA, 2006).
Essas estruturas compõem a classe dos atuais sistemas de liberação
controlada de fármacos, onde a difusão acontece gradativamente impedindo a
ocorrência de elevados picos na concentração plasmática, sendo estes os principais
responsáveis pelos efeitos adversos relacionados a muitos fármacos (WILLIAMS et.
al., 2000).
O processo de difusão é regido pela primeira e segunda lei de Fick. A primeira
lei de Fick relaciona o fluxo de material com o gradiente de concentração e descreve
o processo de difusão sob condições de estado estacionário, ou seja, o gradiente
de concentração , ∂c / ∂x , não varia com o tempo. O mecanismo de liberação é
governado por essa lei, que pode ser expressa pela equação 2.3 (CRANK, 1975) e
que estabelece que o fluxo de matéria seja proporcional à variação de
concentração (∂c) e inversamente proporcional à distância ( ∂x ).
⎛ ∂c ⎞
Fx = − D⎜ ⎟
⎝ ∂x ⎠
(2.3)
Em que Fx representa a quantidade de substância que se difunde no intervalo
de tempo através de uma área plana, e D é um coeficiente de difusão que se pode
definir como sendo a quantidade de substância difundida por unidade de tempo
⎛ ∂c ⎞
⎟ é
⎝ ∂x ⎠
através da unidade de superfície, quando o gradiente de concentração ⎜
também unitário. O sinal negativo da equação significa que a difusão ocorre na
direção de diminuição da concentração da substância que difunde (TRINDADE,
2004).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
50
Revisão Bibliográfica
No entanto, na maioria dos métodos experimentais utilizados para estudar a
difusão, dependem da concentração com o tempo e a distância. Neste caso, a 1ª lei
pode ser convertida em uma equação diferencial parcial de 2ª ordem, conhecida
como 2ª lei de Fick que é expressa pela equação 2.4 (TRINDADE, 2004).
⎛ ∂ 2c ⎞
⎛ ∂c ⎞
⎜ ⎟ = D ⎜⎜ 2 ⎟⎟
⎝ ∂t ⎠
⎝ ∂x ⎠
(2.4)
onde c é a concentração de substância permeante, t é o tempo, D o coeficiente
de difusão e x é uma das direções em que o fluxo pode ocorrer num corpo, sendo
esta mais conhecida como equação de difusão.
A segunda lei de Fick representa a velocidade de alteração da concentração de
soluto em função do tempo e do deslocamento, ou seja, dois fatores importantes na
determinação do coeficiente de difusão de qualquer soluto em diferentes sistemas.
Para qualquer situação, o problema é encontrar uma solução apropriada para a
equação 2.4 (CRANK, 1975).
2.10.2 - Difusão Através de Membranas
Uma membrana pode ser descrita como uma barreira fina que separa dois
fluidos onde a transferência de matéria ocorre apenas por difusão. Considere o caso
de difusão através de uma membrana de espessura l, e o coeficiente de Difusão D,
que separa dois compartimentos, cujas superfícies x = 0 e x = l são mantidas às
concentrações constantes c1 e c2, respectivamente. Após algum tempo, um estado
estacionário será criado, onde as concentrações permanecem constantes em todos
os pontos da membrana. Deste modo, a partir da equação de difusão (equação 2.3),
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
51
Revisão Bibliográfica
mantendo o coeficiente de difusão constante e integrado em relação à x, teremos
(TRINDADE, 2004):
dc
=
dx
constante
(2.5)
E através de uma integração posterior, introduzindo as condições em que x = 0
e x = l:
c − c1
x
=
c 2 − c1
l
(2.6)
As equações 2.5 e 2.6 mostram que as concentrações variam de formar linear
de c1 a c2 através da membrana. Também o fluxo de substância difusora é o mesmo
para todas as secções da membrana e pode ser representado por:
F =− D
(
c −c
dc
=− D 2 1
dx
l
)
(2.7)
Se a espessura l e as concentrações de superfície c1 e c2 são conhecidas, o
valor de D pode ser obtido a partir de uma observação do valor F utilizando a
equação
2.7.
Entretanto
experimentalmente
nem
sempre
os
valores
de
concentrações c1 e c2 podem ser determinados (TRINDADE, 2004).
2.10.3 - A Constante de Permeabilidade
Em diversos sistemas, quando as concentrações C1e C2 nos dois lados da
membrana são conhecidas, a taxa de fluxo de transferência no estado estacionário é
então descrita como (THEEUWES et. al., 1976):
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
52
Revisão Bibliográfica
F =−
P(C2 −C1)
l
(2.8)
A constante P é denominada de constante de permeabilidade do sistema.
Sendo o coeficiente de difusão D constante e existindo uma relação linear entre a
concentração das soluções e a correspondente de equilíbrio na superfície da
membrana, então as equações 2.7 e 2.8 são equivalentes, resultando em:
−
D(c 2 − c1 )
l
=−
D (C 2 − C1 )
l
(2.9)
Deste modo, teremos:
P=D
(c2 − c1 )
(C 2 − C1 )
(2.10)
Sabendo que:
K=
(c2 − c1 )
(C 2 − C1 )
(2.11)
Onde K é o coeficiente de partição. Assim, substituindo 2.10 em 2.11, teremos:
P = KD
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
(2.12)
53
Revisão Bibliográfica
2.10.4 - A Permeabilidade da Membrana
O cálculo da permeabilidade da membrana pode ser desenvolvido assumindo
uma membrana de espessura l e área S entre dois compartimentos com soluções
em diferentes concentrações C1 e C2. Se inicialmente o sistema estiver livre de
diferenças de concentração entre as faces da membrana, ou seja, c1=c2, pode-se
dizer que a concentração inicial de permeante na membrana é zero. Após adicionar
uma solução C1 em um dos compartimentos da célula de permeabilidade, a
quantidade de matéria Q que difunde deste compartimento para outro, considerando
um comportamento linear quando t → ∞ , é dada por (CRANK, 1975):
Dc1 ⎛
l2 ⎞
⎜t −
⎟
Q=
l ⎜⎝ 6 D ⎟⎠
(2.13)
No estado estacionário, a equação 2.13 pode ser aplicada. Então, a quantidade
de substância difusora que atravessa a membrana de área S no tempo t é:
Q=−
SD(c2 − c1 )
t
l
(2.14)
Sabendo que o coeficiente de partição K se aplica a ambas as faces da
membrana, a equação 2.14 torna-se:
Q=−
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
SDK (C 2 − C1 )
t
l
(2.15)
54
Revisão Bibliográfica
Como P = KD teremos:
Q=−
SP(C 2 − C1 )
t
l
(2.16)
Deste modo, o coeficiente de permeabilidade P pode ser determinado através
da inclinação da reta Q x t no estado estacionário. Nas condições experimentais
freqüentemente encontramos C1 muito maior que C2. Assim, a equação 2.16 pode
ser simplificada para:
Q=−
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
SPC1
t
l
(2.17)
Capítulo 3
Materiais e Métodos
Materiais e Métodos
56
3 – Materiais e Métodos
3.1 – Materiais
A quitosana (polymar Ltda, Fortaleza, Brasil) usada neste trabalho
apresentou grau de desacetilação em torno de 90% segundo o fabricante. Sua
massa molar ( Mv = 2,0 x 105 Da) foi determinada pelo método de viscometria,
utilizando a equação de Mark-Howink-Sakurada (TSAIH et. al.; 1999; TONHI et.
al.; 2002). O fármaco sulfamerazina de sódio (MM= 286,8 gmol-1, SigmaAldrich, St. Louis, USA) foi usado como recebido.
3.2 - Preparação das Membranas
A quitosana em pó foi dissolvida em solução aquosa de ácido acético 0,35
mol/L, sob agitação constante durante 24h, de modo a obter uma solução de
1,5% m/v do polímero. Após este período a solução foi filtrada, sendo este
procedimento realizado em duas etapas. Na primeira etapa foi utilizado um filtro
com tela de nylon a fim de eliminar resíduos sólidos derivados do processo de
obtenção da quitosana. Na segunda etapa foi utilizado um filtro Millex Millipore®
com diâmetro de poros de 41 μ m. Um volume de 27 ml da solução de
quitosana foi então adicionado às placas de Petri e estas colocadas em estufa
a 50ºC por 24 h para evaporação do solvente. Depois de retiradas da estufa, às
membranas formadas, uma solução aquosa de 1,25 mol/L NaOH foi adicionada
por 2h para neutralizá-las, sendo estas lavadas em seguidas com água
destilada em abundância para remoção dos resíduos de sal. Após o
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Materiais e Métodos
57
estiramento e secagem à temperatura ambiente, por 24h, foram obtidas
membranas de quitosana (QUI) com espessura na faixa de 33 μ m a 43 μ m
(micrômetro digital,Digi-Derm, Mitutoyo, Brasil).
3.3 - Tratamentos por Plasma
O equipamento utilizado para tratar as membranas de quitosana foi
desenvolvido no laboratório de processamento de materiais por plasma da
URFN e encontra-se ilustrado na figura 3.1.
Figura 3.1: Desenho esquemático do reator a plasma utilizado para tratamento
de membranas de quitosana (Adaptado de Feitor, 2006).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Materiais e Métodos
58
O sistema consiste de uma fonte de corrente contínua, sistema de vácuo
(10-3mbar) e transporte de gases. A fonte de tensão contínua possui uma
potência de 1 kW, com voltagem de saída máxima de 900 V e está acoplada
capacitivamente ao reator.
O reator consiste de um tubo de vidro de borossilicato, com 180 mm x 300
mm (diâmetros x altura), fechado por dois flanges de aço inox. Pelo flange
superior foi inserido os gases de trabalho (eletricamente aterrado). Pelo flange
inferior, eletricamente isolado, passa o termopar. Nesse mesmo flange
encontra-se acoplado uma bomba mecânica e um manômetro.
A bomba mecânica foi usada para evacuar o sistema a aproximadamente
0,3 x 10-2 mbar. A pressão do reator foi medida por um sensor de membrana
capacitiva, através de um mostrador digital. A temperatura do experimento foi
medida utilizando um termopar do tipo alumel-cromel que está localizado
dentro do cátodo. O fluxo dos gases foi regulado por um controlador de fluxo e
introduzido no reator por orifícios situados no flange superior. A figura 3.2
mostra a foto do reator de plasma utilizado neste trabalho.
Durante o tratamento das membranas de quitosana foram usados os
seguintes gases: Metano (CH4), O2, H2, N2, Ar (White-Martins, Brasil) e alguns
parâmetros foram mantidos constantes como pressão, corrente, fluxo de gás e
tempo. Os valores desses parâmetros estão apresentados na tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Parâmetros que se mantiveram fixos durante o tratamento
por plasma.
Pressão
Corrente
Tempo
Fluxo de Gás
6,0 mbar
0,09 A
60 min
16 cm3/min.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Materiais e Métodos
59
As membranas de quitosana foram colocadas a uma distância de 5 cm do
cátodo para que as mesmas não sofressem modificações devido à temperatura
do cátodo (Figura 3.2).
Figura 3.2: Reator de plasma utilizado para modificar as membranas de
quitosana.
3.4 – Técnicas de Caracterização
3.4.1 – Diagnóstico por Espectroscopia de Emissão Ótica
Para investigar as espécies presentes no plasma, o diagnóstico por
espectroscopia óptica foi realizado por um sistema composto de um
espectrômetro de emissão Acton Spectrapro 2500i com comprimento focal de
500 mm, resolução espectral mínima de 0.05nm. A figura 3.3 mostra o aspecto
visual do equipamento.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Materiais e Métodos
60
Figura 3.3: Fotografia do espectrômetro de emissão ótica que inclui o
monocromador, o sensor ótico, o spectrahub e o computador.
Este dispositivo possui três redes de difração com faixas espectrais de
comprimento de onda (blaze) diferentes. Neste trabalho foi utilizada a rede de
1800g/mm e uma fibra ótica de 5m de comprimento que interliga a luz
proveniente do plasma ao monocromador. Um fotodiodo de silício de 10mm de
diâmetro com resposta óptica entre 200-1100nm foi utilizado como detector.
A fibra óptica foi posicionada próximo ao reator, apontando diretamente
para a descarga luminescente.
Os espectros de emissão adquiridos foram comparados com os valores
encontrados no banco de dados de transição atômica disponível na página
eletrônica do NIST (National Institute of Standards and Technology) e em
alguns artigos sobre espectroscopia de emissão ótica.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Materiais e Métodos
61
3.4.2 - Microscopia de Força Atômica (MFA)
Amostras tratadas e não tratadas foram analisadas por MFA, buscando-se
caracterizar a topografia das mesmas e identificar as mudanças que pudessem
ser atribuídas ao tratamento de plasma. Imagens tanto em duas como em três
dimensões foram capturadas. Também foram realizadas medidas de
rugosidade da superfície das membranas.
As imagens de MFA foram obtidas em um Microscópio da Shimadzu,
modelo SPM-9600 (Japão), utilizando modo dinâmico ou intermitente numa
taxa de varredura de 1 Hz. Áreas aleatórias de 5 μm x 5 μm foram escaneadas
e analisadas pelo programa SPM Maneger Versão 3.4(Japão) .
3.4.3 – Medidas de Ângulo de Contato
As medidas de ângulo de contato, baseadas na técnica de gota séssil,
foram realizadas em um aparato desenvolvido no Labplasma, o qual se baseia
na determinação do ângulo de contato através de medidas de diâmetro da
base da gota e da altura da mesma.
O aparato usado para medir o ângulo de contato está ilustrado na figura
3.4. Esse é composto de uma base móvel, com movimentos no sentido vertical,
uma microcâmera, uma pipeta de volume regulável, e uma fonte de luz difusa.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Materiais e Métodos
62
Figura 3.4: Ilustração do equipamento utilizado para determinação do ângulo
de contato (Macêdo,2008).
As amostras foram colocadas sobre a base plana e em seguida foi
depositado uma gota de 10µl dos seguintes líquidos: água destilada, formamida
e glicerol, sobre a superfície das membranas. O software utilizado para isolar
as imagens foi o Pinnacle Studio Quickstart versão 8 e o software utilizado para
calcular o ângulo de contato foi o surftens.
Para este teste foram utilizadas três amostras de cada tratamento e em
cada amostra foram feitas cinco medições.
3.4.4 - Ensaio de Absorção de Água
A quantidade de água absorvida pelas membranas foi determinada pela
imersão destas em água destilada a temperatura ambiente por 24 h. As
membranas de quitosana tratadas e não tratada por plasma foram inicialmente
pesadas em uma balança analítica (Mettler Toledo H35AR) com três casas
decimais e imersas em água destilada. Acompanhou-se a percentagem de
ganho de massa através da pesagem da amostra em diferentes tempos. O
ganho percentual de massa M foi calculado através da relação:
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
63
Materiais e Métodos
%=
mu − ms
x100
ms
(3.1)
Onde mu e ms, representam respectivamente as massas das membranas
úmida e seca.
3.4.5 - Ensaio de Permeação
O fármaco modelo escolhido para ser permeado foi a sulfamerazina de
sódio, em virtude de algumas de suas características como solubilidade em
água e absorção na região do ultravioleta. As membranas tratadas e não
tratadas utilizadas neste experimento foram imersas em água destilada durante
24h antes de serem usadas neste ensaio.
O ensaio de permeação consistiu em colocar a membrana em estudo
presa firmemente entre dois compartimentos A e B de uma célula de
permeação (Figura 3.5) em formato de U feita de PVC. No compartimento A,
colocou-se 230,0 ml de solvente puro (água destilada) e no compartimento B,
colocou-se 230,0 ml da solução de fármaco na concentração de 0,017mol/L
(1,25g). Ambos os compartimentos foram submetidos à agitação constante. A
célula de permeabilidade estava imersa em banhos termoestático a
temperatura constante de 30º ± 0,1ºC.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Materiais e Métodos
64
Figura 3.5 – Esquema da célula de permeação (OLIVEIRA, 2006).
Uma bomba peristáltica (Micronal 332II), foi usada para fazer a conexão
entre a célula de permeação e o espectrofotômetro (Genesy 10 UV Scanning,
Thermo electron corporation) através de um tubo de silicone obtendo-se assim
um sistema de fluxo contínuo. Uma das extremidades do tudo de silicone foi
colocada no compartimento A do sistema de permeação onde a alíquota foi
retirada, levada até a cubeta de quartzo do espectrofotômetro e continuamente
devolvida ao compartimento A. A medida de absorbância foi feita no
comprimento de onda ( λ ) de 260nm, pois a sulfamerazina de sódio tem sua
banda de absorção máxima neste ponto, como mostra a figura 3.6.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
65
Materiais e Métodos
Figura 3.6: Ponto máximo de absorção da sulfamerazina de sódio
(TRINDADE, 2004).
3.4.6 - Cálculo da Permeabilidade das Membranas
O valor da permeabilidade das membranas foi calculado utilizando o
modelo descrito por Crank, para fluxo de membranas (CRANK, 1975). Neste
caso, a quantidade total de substância Q que difunde através da membrana no
tempo t é dada pela equação 2.13, mostrada abaixo:
Q=
Dc1 ⎛
l2 ⎞
⎜⎜ t −
⎟
l ⎝ 6 D ⎟⎠
(2.13)
Como a quantidade de fármaco foi determinada por espectroscopia, Q é
dada por:
Q=
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Vc
S
(3.2)
66
Materiais e Métodos
pela lei de Lambert- Beer, A = ε .b.c, a concentração é:
c =
A
εb
(3.3)
Assim, substituindo 3.3 em 3.2 teremos:
Q=
VA
εbS
(3.4)
Onde V é o volume da célula de difusão, “A” é a absorbância, S é a área
de superfície da membrana, b o caminho óptico da célula do espectrofotômetro,
ε
a absortividade. Igualando a equação 3.4 com a equação 2.13 e
rearranjando, obtemos:
A(t ) =
Dc1εbS c1lεbS
−
6V
Vl
(3.5)
Onde c1 é a concentração da substância difusora na superfície da
membrana, D o coeficiente de difusão da membrana, l sua espessura. Tendo
em vista que as membranas são relativamente finas, a determinação da
concentração do fármaco na superfície da membrana, necessária para a
determinação do valor de D, seria muito difícil. Neste caso, optou-se por
substituir o cálculo do coeficiente de difusão D pelo cálculo da permeabilidade,
utilizando-se para isto a relação existente entre estes dois fatores (equação
2.12). Desta forma, substituindo a equação 2.12 na equação 3.5 obtemos:
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
67
Materiais e Métodos
A(t ) =
c lεbS
PC1εbS
t− 1
Vl
6V
(3.6)
Assim o valor da permeabilidade P será obtido através do coeficiente
angular α da curva gerada pelo gráfico A x t na região linear:
α=
PC1εbS
Vl
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
(3.7)
Capítulo 4
Resultados e Discussão
69
Resultados e Discussão
4 – Resultados e Discussão
4.1- Diagnóstico por Espectroscopia de Emissão Òtica (EEO)
Na figura 4.1, são mostrados os espectros obtidos por emissão ótica do
plasma presentes nos tratamentos. Na fig. 4.1a é observado o espectro obtido
para o plasma na atmosfera de nitrogênio puro. É possível observar a presença
de espécies de nitrogênio, oxigênio e hidrogênio.
O impacto das espécies
presentes nesse tratamento provoca uma reação química que resulta na
formação de sítios ativos e formação de novas ligações. Acredita-se que essas
novas ligações seja a inserção de grupos hidrofílicos na amostra.
No espectro do tratamento com CH4 (Figura 4.1b) observou-se a
presença de C, CH e CN. Essas espécies apolares interagem com a superfície
do material, deixando-o com um caráter mais apolar, ou seja, mais hidrofóbico.
Na figura 4.1c, observou-se a presença de átomos de Ar que é
proveniente do gás utilizado para o tratamento. No espectro é também possível
observar a presença de átomos e moléculas de hidrogênio. As espécies de Ar
encontradas nesse tratamento são responsáveis pelo efeito Etching no
material. Apesar de não se ligarem ao material as espécies encontradas nesse
tratamento favorecem a formação de radicais livres na amostra. Além de
remover espécies da superfície. As formações desses radicais livres favorecem
a ligação com as espécies químicas presentes, essa espécies podem ser
oriundas do próprio material ou da pressão residual.
Observando os espectros do tratamento com O2 e H2 (Figura 4.1d e 4.1
e respectivamente) é possível observar a presença de espécies de O, H e N.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
70
Resultados e Discussão
Essas reagem quimicamente com o material formando sítios ativos. A
superfície ativada sofre rearranjo molecular e novas ligações são formados na
superfície do material. As espécies presentes neste tratamento têm um caráter
polar conferindo ao material uma maior hidrofilicidade.
Nitrogênio
N
+
2
N
Intensidade (u.a)
2
N2
+
N2
N
N2
+
N
2
O
+
N
N2
O
2
O2+
N
+
2
N
N2+
400
N2+
+
N
N
600
H2
H2
800
Comprimento de Onda(nm)
Figura 4.1a
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
N
1000
71
Resultados e Discussão
Metano
H
α
Intensidade (u.a)
CH
CN
N
+
2
C
2+
H
N
β
2
350
400
450
500
550
600
650
700
Comprimento de Onda (nm)
Figura 4.1b
Argônio
Ar
Intensidade (u.a)
Ar
Ar
Ar
Ar
Ar
Ar
Ar
H
α
600
Ar
Ar
Ar Ar
H
2
H
700
800
Ar
Ar
Ar
2
900
Comprimento de Onda (nm)
Figura 4.1c
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
1000
1100
72
Resultados e Discussão
Oxigênio
Intensidade (u.a)
O
O
2+
O
400
500
600
700
800
900
1000
Comprimento de Onda(nm)
Figura 4.1d
Hidrogênio
α
Intensidade (u.a)
H
N
400
2+
H
+
β
N
500
600
700
800
Comprimento de Onda (nm)
Figura 4.1 e
Figura 4.1: Espectro de emissão ótica dos gases utilizados nos tratamentos
das membranas por plasma, 4.1a: espectro do argônio, 4.1b: espectro do
metano, 4.1c: espectro do nitrogênio, 4.1d: espectro do oxigênio, 4.1e: espectro
do hidrogênio.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Resultados e Discussão
73
4.2 - Microscopia de Força Atômica
Nas figuras 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.7 são apresentadas as imagens de
MFA. Para as membranas não tratadas (QUI NT) e para as membranas
tratadas com metano (QUI CH4) (Figura 4.2 e 4.3 respectivamente) o valor da
rugosidade Ra é aproximadamente igual, (QUI NT Ra = 3.426 nm, QUI CH4
Ra = 3.424 nm) (Tabela 4.1). No entanto quando se compara a figura 4.2b
(QUI NT – 3d) com a figura 4.3b (QUI CH4 – 3d), observa-se que a relação
entre as variações de altura de picos e vales são bem diferentes. Para a figura
4.2b (QUI NT – 3d) verifica-se a altura máxima do pico é de 34,8nm enquanto
que para a figura 4.3b (QUI CH4 – 3d) o valor é de 50,11nm. Isso demonstra
que o tratamento com o metano teve uma ação capaz de modificar a textura da
superfície, adicionando ou subtraindo material da superfície.
Tabela 4.1 : valores de rugosidade e altura máxima do picos
Membrana
Rugosidade (Ra)
Altura dos picos
QUI NT
3.426 nm
34,80 nm
QUI N2
5.911 nm
51,63 nm
QUI CH4
3.424 nm
50,11nm
QUI Ar
1,790 nm
42,83 nm
QUI O2
4.800 nm
56,61 nm
QUI H2
5.062 nm
246,12 nm
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Resultados e Discussão
74
Figura 4.2a
Figura 4.2b
Figura 4.2: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de
quitosana não tratada. Figura 4.2a imagem frontal, figura 4.2b imagem em 3d.
Figura 4.3a
Figura 4.3b
Figura 4.3: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de
quitosana tratada com metano. Figura 4.3a imagem frontal, figura 4.3b imagem
em 3d.
Os demais tratamentos geraram superfície com maior rugosidade Ra
que antes do tratamento com exceção da QUI Ar onde a rugosidade cai para
um valor igual a 1,790nm, mas a altura máxima(42.83nm) dos picos dessa
amostra apresentam-se maiores do que na amostra não tratada. Entretanto
observando a figura 4.4b, verifica-se que esses picos com altura superior aos
picos da amostra não tratada apresentam-se em quantidade desprezível.
Supõe-se que a diminuição da rugosidade nesse tratamento se deve ao
arrancamento de material da superfície das membranas de quitosana. Em
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Resultados e Discussão
75
relação à altura dos picos serem maior do que nas amostras não tratadas está
relacionado com o impacto das moléculas e íons do gás sobre o material.
Figura 4.4a
Figura 4.4b
Figura 4.4: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de
quitosana tratada com argônio. Figura 4.4a imagem frontal, figura 4.4b imagem
em 3d.
Na figura 4.5 são apresentadas a imagens das amostras tratadas com
hidrogênio. Apesar de apresentar uma rugosidade Ra semelhante à rugosidade
das amostras tratadas com nitrogênio e oxigênio (QUI H2 Ra = 5.062 nm, QUI
N2 Ra = 5.911nm, QUI O2 Ra= 4.8nm). A QUI H2 apresentam uma topografia
diferente com picos espaçados e com altura máxima igual a 242,12 nm, ou
seja, bem diferente da média dos picos existentes.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Resultados e Discussão
76
Figura 4.5a
Figura 4.5b
Figura 4.5: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de
quitosana tratada com hidrogênio. Figura 4.5a imagem frontal, figura 4.5b
imagem em 3d.
Finalmente na figura 4.6 e 4.7 são apresentadas as amostras tratadas
com nitrogênio e oxigênio respectivamente. Observando a altura máxima dos
picos nas duas amostras (figura 4.6b e 4.7b) é possível ver que não existem
grandes diferenças, assim como na rugosidade Ra (QUI N2 Ra = 5.911nm, QUI
O2 Ra= 4.8nm). No entanto a topografia apresenta-se bastante diferente (figura
4.6b e 4.7b).
Esses resultados reforçam que apenas a rugosidade Ra não nos fornece
informações suficientes para prever interações de dimensões micro ou
nanométrica como em material biológico.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Resultados e Discussão
77
Figura 4.6a
Figura 4.6b
Figura 4.6: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de
quitosana tratada com nitrogênio. Figura 4.6a imagem frontal, figura 4.6b
imagem em 3d.
Figura 4.7a
Figura 4.7b
Figura 4.7: Imagens de microscopia de força atômica de membranas de
quitosana tratada com oxigênio. Figura 4.7a imagem frontal, figura 4.7b
imagem em 3d.
4.3 – Medidas de Ângulo de Contato
Na figura 4.8 são apresentados os resultados de molhabilidade para as
membranas não tratadas e para as membranas tratadas com diferentes
atmosferas. O tratamento das membranas de quitosana por plasma mostrou-se
uma técnica eficaz na modificação da molhabilidade dessas. As membranas de
quitosana foram tratadas a plasma com os seguintes gases: N2, O2, H2, Ar e
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
78
Resultados e Discussão
CH4. O tratamento a plasma aumentou a molhabilidade das membranas de
quitosana para a maioria das atmosferas gasosas, exceto quando foi usado o
gás CH4. (Figura 4.8)
Esse aumento na hidrofobicidade deve ter uma origem mais química do
que física uma vez que os valores da rugosidade das amostras não tratadas e
das tratadas com metano são similares.
Acredita-se que a diminuição da
molhabilidade nas membranas tratadas com CH4 está relacionada com a
inserção de grupos apolares na superfície como visto na espectroscopia de
emissão ótica ou a formação de um filme polimérico hidrofóbico que é
característico do tratamento por plasma que utiliza o gás metano, vapores de
alcanos (WANG, 2007) e HMDS (ASSIS, 2007).
Para as amostras tratadas com N2, Ar, O2, e H2 houve aumento da
molhabilidade, que está relacionada com as mudanças químicas. O aumento
da molhabilidade nas membranas tratadas com plasma de Ar e O2 confirmam o
que foi encontrado na literatura, por Zhu (2005) e Pérez (2007). Essas
mudanças químicas devem ser devido as espécies encontradas no plasma
durante o tratamento, como visto através das análises de espectroscopia de
emissão ótica. As espécies encontradas nos tratamentos com N2, Ar, O2, e H2
favorecem a formação de grupos funcionais hidrofílicos na superfície do
material, aumentando, portanto a molhabilidade.
.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
79
Resultados e Discussão
120,00
Ângulo de Contato
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
NT
N2
CH4
ÁGUA
FORMAMIDA
Ar
O2
H2
GLICEROL
Figura 4.8: Ângulo de contato para a água, formamida e glicerol.
Durante o teste de ângulo de contato observou-se o perfil da gota de
água durante 60 segundos. Nesse período foi observada uma diminuição do
ângulo de contato em todas as amostras, tendo destaque as amostras tratadas
com metano que tiveram a menor relaxação do ângulo de contato e as
membranas tratadas com hidrogênio que tiveram a maior relaxação. Esta
diminuição do ângulo durante os 60 segundos deve-se a acomodação da gota
na superfície das amostras. Na figura 4.9 é apresentado esse comportamento
para diferentes tempos de acomodação.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
80
Resultados e Discussão
90,00
80,00
Ângulo de Contato
70,00
60,00
NT
N2
CH4
Ar
O2
H2
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
00s
10s
20s
30s
40s
50s
60s
Tempo
Figura 4.9: Perfil da molhabilidade das amostras tratadas e não tratada
durante 60 segundos.
4.4 - Ensaios de Absorção
Analisando-se a figura 4.10 observa-se que as seis membranas
estudadas apresentam um ganho de massa superior a 100%, o que é uma
indicação da forte afinidade desse polímero pela água. A quitosana possui em
sua estrutura grupos amino (NH) e hidroxila (OH) que dão um caráter hidrofílico
a membrana.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
81
Resultados e Discussão
250
Ganho de Massa (%)
200
150
100
50
0
QUI NT
QUI N2
QUI O2
QUI Ar
QUI H2
QUI CH4
Figura 4.10: Gráfico representativo do ganho de massa.
Observando a figura 4.10 é possível observar que houve uma diminuição
de 26,12% no grau de inchamento em membranas tratadas por plasma de
metano quando comparado com os filmes não tratados, isso demonstra que o
tratamento com metano foi próspero em criar uma superfície hidrofóbica em
membranas de quitosana. Para as membranas tratadas com N2, Ar e H2, não
houve grandes diferenças se comparada com as membranas não tratadas.
Para as membranas tratadas com O2 houve um aumento de 38,57% em
relação as membranas não tratadas demonstrando que esse tratamento
promove um aumento na absorção de água pela membrana.
Através desse ensaio foi possível comprovar o que foi visto nos ensaios
de ângulo de contato, mostrando que o tratamento com o metano diminui a
absorção de água e a molhabilidade pelas membranas de quitosana e que os
tratamentos com Ar, H2, N2, O2 aumentam a absorção de água e a
molhabilidade.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
82
Resultados e Discussão
4.5 - Ensaios de Permeação
Na figura 4.11 e na tabela 4.2 são apresentados os valores de
permeabilidade calculados para os seis tipos membranas estudadas. Na figura
4.11 observa-se que ocorreu uma significativa redução nos valores de
permeabilidade para as membranas tratadas com CH4 e para as membranas
tratadas com O2. Para as membranas tratadas com N2, H2 e Ar houve um
aumento da permeabilidade. Os resultados mostram que o tratamento, embora
apenas superficial influenciou a permeabilidade da membrana.
Permeabilidade (10^5 g cm^2 min^-1)
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
QUI NT
QUI N2
QUI CH4
QUI Ar
QUI O2
QUI H2
Figura 4.11: Gráfico da permeabilidade das membranas de quitosana em
relação ao fármaco sulfamerazina de sódio.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Resultados e Discussão
83
Tabela: 4.2: Permeabilidade das membranas
Membrana P(10-5 g cm2. min-1) Desvio Padrão
QUI
2, 218
0,014
QUI N2
2, 685
0,044
QUI CH4
1, 649
0,011
QUI Ar
2, 771
0,042
QUI O2
1, 455
0,021
QUI H2
2, 362
0,074
No caso das membranas tratada com CH4 houve uma redução na
permeabilidade do fármaco sulfamerazina de sódio em relação à QUI NT, QUI
N2, QUI H2, QUI Ar. O tratamento com o metano fez com que a membrana ficase mais hidrofóbica, portanto diminuindo a hidratação da mesma como
mostrado nos ensaio de ângulo de contato e ganho de massa e
consequentemente isso não favoreceu a formação de muitos espaços vazios
por onde ocorreria a difusão do soluto diminuindo assim a permeabilidade da
membrana.
Para as membranas tratadas com O2 ocorreu também uma redução na
permeabilidade da membrana, mas as mesmas durante os ensaios de ângulo
de contato e de ganho de massa mostraram-se altamente hidrofílicas e
hidratadas, acreditava-se, no entanto que tais membranas fossem apresentar
uma alta permeabilidade o que não ocorreu. Entretanto durante os ensaios de
permeabilidade das membranas tratada com O2, houve um pequeno desvio na
reta, levando a crer que ocorreu uma interação entre a membrana e o fármaco
o que levaria a uma redução da permeabilidade.
Com relação à permeabilidade das membranas tratadas com N2, H2 e Ar
estas apresentaram um aumento da permeabilidade, confirmando os
resultados encontrados nos ensaios de ângulo de contato e ganho de massa
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
84
Resultados e Discussão
onde essas membranas, apresentaram-se altamente hidrofílicas e hidratadas.
Essa hidratação possibilitou o aumento de espaços vazios na membrana,
possibilitando o aumento da permeabilidade do fármaco.
A duração do experimento foi limitada pelos valores de absorbância, ou
seja, o experimento foi interrompido no instante em que a amostra retirada do
compartimento “A” (figura 3.5) da célula de permeação alcançou um valor de
absorbância próximo de 2. Isto por que valores de absorbância acima de 2
significam menos de 1% de luz transmitida chegando ao detector, o que devido
ao limite de sensibilidade do detector pode levar a erros na medida. Todos os
experimentos
foram
feitos
em
duplicata
e
apresentaram
uma
boa
reprodutibilidade. (Figura 4.12)
Através dos valores de absorbância encontrados no gráfico de
permeação. Calculou-se o valor da concentração do fármaco após 50 minutos
do início da permeação. Utilizou-se esse tempo a fim de abranger todos os
tratamentos realizados nas membranas de quitosana. Os valores de
concentração correspondente a cada tratamento estão na tabela 4.3
Tabela 4.3: Concentração de fármaco no compartimento A após 50 minutos.
Membrana
C(g) (10-5)
QUI
2,6
QUI N2
2,4
QUI CH4
1,9
QUI Ar
3,2
QUI O2
2,7
QUI H2
2,6
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
85
Resultados e Discussão
QUI NT 1
QUI NT 2
2,0
QUI N2 2
1,5
Absorbância
1,5
Absorbância
QUI N2 1
2,0
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
0,0
0
10
20
30
40
50
60
70
0
80
10
20
30
Figura 4.12 a
2,0
1,5
70
80
1,5
Absorbância
Absorbância
60
QUI Ar 1
QUI Ar 2
QUI CH4 2
1,0
0,5
1,0
0,5
0,0
0,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
20
30
Tempo (min)
40
60
70
80
Figura 4.12 d
QUI O21
2,0
50
Tempo (min)
Figura 4.12 c
QUI H2 1
2,0
QUI 02 2
QUI H2 2
1,5
Absorbância
1,5
Absorbância
50
Figura 4.12 b
QUI CH4 1
2,0
40
Tempo (min)
Tempo (min)
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
0,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Tempo (min)
Figura 4.12 e
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Tempo (min)
Figura 4.12 f
Figura 4.12: Gráficos das permeações das membranas tratadas e não tratadas
com as duplicatas. Figura 4.12a: gráfico da permeação da QUI NT, Figura
4.12b: gráfico da permeação da QUI N2, Figura 4.12c: gráfico da permeação da
QUI CH4, Figura 4.12d: gráfico da permeação da QUI Ar, Figura 4.12e: gráfico
da permeação da QUI O2, Figura 4.12f: gráfico da permeação da QUI H2,
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
86
Resultados e Discussão
Analisando a figura 4.12 observa-se que os experimentos apresentaram
um comportamento linear para o período de tempo e concentração utilizada,
exceto para as membranas tratada com O2 que apresenta um pequeno desvio.
O comportamento linear indica que o estado estacionário é atingido
rapidamente e que a permeabilidade pode ser obtida a partir de valores do
coeficiente angular das retas (Figura 4.13), como já descrito na subseção 3.4.6
da metodologia.
2,0
Absorbância
1,5
QUI NT 1
QUI N2 1
1,0
QUI CH4 1
QUI Ar 1
QUI O21
0,5
QUI H2 1
0,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Tempo (min)
Figura 4.13: Gráficos da permeação do fármaco sulfamerazina de sódio.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Resultados e Discussão
87
De acordo com a literatura, algumas vezes este estado estacionário leva
algum tempo para ser estabelecido, produzindo um comportamento inicial
conhecido como tempo de retardo (time lag), que pode ser definido como o
tempo necessário para que o sistema alcance o seu estado estacionário. Outra
observação importante a ser feita é que o comportamento linear está
geralmente relacionado à ausência de fortes interações entre o fármaco e a
membrana (KRAJEWSKA, 2001).
Para compreender estes resultados, deve-se recorrer aos modelos
existentes na literatura para a permeação em membranas. Dentre os vários
modelos existentes, podem ser destacados o modelo de poros e o modelo de
volume livre. O modelo utilizado no presente trabalho foi o de volume livre.
Nesse modelo, a membrana é considerada como sendo uma rede homogênea
hidratada. A difusão ocorre por “saltos” sucessivos por entre espaços vazios
(volume livre) que seriam maiores que o soluto. A difusão é dependente da
quantidade desses espaços vazios (WIJMANS et. al., 1995).
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Capítulo 5
Conclusões
89
Conclusões
5 – Conclusões
As membranas de quitosana foram tratadas com plasma de N2, H2, O2, Ar,
CH4.
Através da técnica de modificação por plasma foi possível provocar
alterações na membrana sem, contudo alterar seu aspecto macroscópico, pois
a coloração e forma foram preservadas.
As modificações microscópicas foram observadas através da microscopia
de força atômica. Através desta técnica é possível analisar com mais detalhes
diferenças marcantes de topografia entre duas superfícies com rugosidade
aproximadamente semelhante.
Deste modo através do presente trabalho foi possível verificar a
versatilidade no uso do plasma para obtenção de um largo espectro de
propriedades que podem ser assim enumeradas:
1-
Valores de ângulo de contato variando de 22º para amostras
tratadas com oxigênio e 83º graus para amostra tratadas com
metano.
2-
Absorção variando de 249% para amostras tratada com oxigênio
e 133% para amostras tratadas com metano.
3-
Esses
tratamentos
permeabilidade
na
repercutiram
faixa
de
no
amplo
1,4548.105
espectro
de
g*cm2*min-1 para
membranas tratadas com oxigênio a 2,6846.105 g*cm2*min-1 para
membranas tratadas com argônio.
4-
O tratamento com plasma utilizando gás metano foi o mais
relevante na diminuição da liberação do fármaco, apresentando
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
90
Conclusões
uma baixa permeabilidade e uma baixa concentração do fármaco
no compartimento A da célula de permeação após os 50 minutos.
5-
O tratamento com plasma de argônio proporcionou as membranas
de quitosana uma maior permeabilidade e também um aumento
na concentração de fármaco no compartimento A da célula de
permeação.
6-
Como as membranas de quitosana tratadas por plasma
apresentaram uma permeação constante, essas podem ser
usadas em sistema de liberação de fármacos.
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Referências Bibliográficas
91
Referências
Allen Jr, L. V.; et al. Formas Farmacêuticas e sistemas de liberação de
fármacos. 8° ed. Porto Alegre: Editora Artmed, 2007.
Allender, C.J.; et at. Pharmaceutical applications for moleculary imprinted
polymers. Int. J. Pharm. , Amsterdam, v.195, p. 39-43, 2000.
Alves Jr, C. Nitretação a Plasma – Fundamentos e aplicações. Edufrn, 2001
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