XII Encontro de Pós-Graduação e Pesquisa
Universidade de Fortaleza
22 a 26 de Outubro de 2012
Síntese e Caracterização Físico-Química de nanopartículas de Quitosana e
Alginato com potencial utilização para adsorção de metais pesados
Flávia Oliveira Monteiro da Silva Abreu ¹* (PQ), Leonardo Gondim Cavalcante² (IC), Oyrton Azevedo de Castro
Monteiro Júnior¹ (PQ)
1. Universidade de Fortaleza – Curso de Engenharia Ambiental e Sanitária
2. Universidade de Fortaleza – Curso de Engenharia Ambiental e Sanitária - Bolsista FUNCAP-UNIFOR
*E-mail: [email protected]
Palavras-chave: Nanopartículas. Tamanho de partícula. Potencial Zeta. Liofilização. Spray-Drying.
Resumo
Neste trabalho, nanopartículas a base de quitosana (QUI) oriundas de caranguejo e camarão foram
produzidas através da técnica de policomplexação eletrolítica com alginato (ALG) em meio aquoso, onde foi
realizada secagem por Spray-Drying e por Liofilização. Partiu-se de soluções dos polissacarídeos de
0,2%p/p, e realizou-se a síntese das nanopartículas na proporção 50/50 QUI/ALG a fim de verificar o
desempenho das nanopartículas em função do método de secagem e do tipo de QUI utilizada. Os
resultados mostraram a formação de nanopartículas com diferente distribuição de tamanho de partícula,
onde a maior fração em volume tem tamanho entre 430 e 670 nm. A análise do potencial superficial mostrou
que em meio aquoso neutro as partículas apresentam valores negativos devido aos grupamentos
carboxílicos de alginato, que possibilitam e viabilizam a formação de complexos com metais. Observa-se
pelos resultados que as NPs produzidas tem potencial para utilização na adsorção de metais, onde estudos
posteriores irão quantificar o potencial
adsorvente das NPs para diferentes metais pesados.
Introdução
As nanopartículas formadas por polímeros naturais podem ser formadas através de interações
iônicas entre compostos que apresentam cargas opostas. A quitosana é um amino polissacarídeo natural
derivado da desacetilação parcial da quitina, que em meio ácido apresenta carga positiva devido à
protonação dos grupos amino presentes na macromolécula. O alginato de sódio é um copolímero formado
por unidades de ácido gulurônico e manurônico, e em meio aquoso seus grupamentos de ácido carboxílico
apresentam carga negativa [1,2]. Combinado a essas propriedades, o alginato ainda apresenta habilidade
de formar hidrogéis espontaneamente e alta viscosidade, tendo recebido destaque dentre os vários
polímeros possíveis para complexar com a quitosana [3].
A quitosana apresenta ótimas características adsorventes na remoção de metais pesados e ou
corantes devido a presença dos grupos amino e hidroxilas, que atuam como sítios ativos principalmente em
meio ácido [4]. No entanto, como a quitosana é suscetível a solubilização no meio ácido, a formação de
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complexos insolúveis com agentes de reticulação iônicos [5] e até mesmo com formação de complexos
polieletrolíticos pode aumentar a sua eficiência na adsorção de metais pesados.
De maneira geral, as nanopartículas são complexos formados em meio aquoso e são sensíveis a
alterações de pH do meio [6]. O método de complexação polieletrolítica é um método onde as partículas são
formadas pela interação iônica entre polímeros de cargas opostas. Nanopartículas de quitosana com ácidopoli-gama-glutâmico foram produzidas com tamanho variando de 150 nm a 330nm, nos quais o tamanho de
partícula mostrou-se dependente da concentração dos polímeros, do pH e da composição relativa dos
polímeros na formulação [7]. Em outro estudo, nanogéis a base de quitosana dopados com Lippia Sidoides
apresentaram tamanho médio de 10 a 60 nm, e mostraram efeito larvicida prolongado, mostrando ser
promissor para o controle da dengue [8]. Mais recentemente, nanopartículas a base de quitosana com
goma de cajueiro foram produzidas variando-se a concentração inicial dos polímeros e proporção relativa
dos componentes, tendo sido secadas por spray-drying. As partículas apresentaram tamanho médio entre
335-558 nm, e apresentaram valores de potencial Zeta positivos em meio ácido, com perfil de liberação
controlada de principio ativo larvicida [9].
Nanopartículas formadas pela complexação entre alginato e quitosana a cada dia ganham mais
destaque no meio acadêmico devido sua facilidade de obtenção e o seu conjunto de propriedades exibidas.
As nanopartículas e quitosana e alginato com raio hidrodinâmico de 400 nm foram produzidas e testadas
recentemente para encapsulamento de agentes anticancerígenos [10].
Neste estudo objetiva-se produzir nanopartículas de quitosana com alginato variando-se alguns
parâmetros de reação e avaliando suas propriedades físico-químicas como tamanho de partícula, potencial
zeta e grau de inchamento, de forma que as nanopartículas possam apresentar um melhor balanço de
propriedades específicas na adsorção de metais pesados em meio aquoso.
Metodologia
Os polímeros escolhidos para a síntese das nanopartículas foram alginato de sódio (Synth), e
quitosana oriunda de camarão (Polymar, CE). Também utilizou-se de quitosana oriunda de caranguejo
produzida na Unifor, que foi obtida e caracterizada conforme metodologia descrita em trabalho anterior [11].
As propriedades intrínsecas das quitosanas foram determinadas e constam na Tabela 1.
Tabela 1 - Propriedades das amostras de quitosana: viscosidade intrínseca ([η]), massa molar viscosimétrica (Mz) e
grau de desacetilação (GD)
4
Quitosana de Camarão
[η
η] (mL/g)
1173
Mz x 10 (g/mol)
33,61
GD (%)
71%
Quitosana Caranguejo
1371
41,26
77%
As nanopartículas foram preparadas por complexação polieletrolítica, a partir das soluções dos
polímeros 0,2% de Alginato de sódio em água destilada, e 0,2% de quitosana em ácido acético 2% v/v.
Adicionou-se de forma controlada gota a gota a solução 0,2% p/p de alginato de sódio usando uma seringa
acoplada a agulha de diâmetro 26G em uma solução 2 mM de cloreto de cálcio (CaCl2). A solução foi
+2
mantida sob agitação magnética a 80 rpm por 20 minutos para formação de complexo (ALG-Ca ).
Posteriormente, adicionou-se gota a gota a solução de quitosana 0,2%p/p. Após o termino da adição, a
solução final foi deixado sob agitação por 30 minutos. Após o preparo as nanopartículas foram secadas por
spray drying, operado com temperatura de entrada de 140ºC e 60ºC de saída, com fluxo de 0,62L/h e
volume de ar de 40 l/min, em um tempo total de 3h. Alternativamente, as nanopartículas foram
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centrifugadas para retirada do excesso de água, congeladas com nitrogênio líquido e secadas em
Liofilizador Tecnal, em um processo cujo ciclo envolveu cerca de 30h. A Figura 1 ilustra as etapas de
produção das nanopartículas incluindo os processos de secagem utilizados. As nanopartículas foram
caracterizados quanto ao rendimento, tamanho de partícula, potencial zeta e grau de inchamento. Ao total
foram produzidas nanopartículas sob quatro tipos de condições diferentes, cujos parâmetros de reação
utilizados constam na Tabela 2.
Figura 1 - Etapas da produção das nanopartículas com secagem por diferentes processos: Liofilização (a) → (c);
Spray-drying (a) → (d).
Tabela 2- Rendimento das Nanoparticulas produzidas a base de quitosana em função da matéria prima de origem e
processo de secagem.
Código
Origem Quitosana
Secagem
Rendimento (%)
QJSP
QJL
QMSP
Caranguejo
Caranguejo
Camarão
Spray- Drying
Liofilização
Spray-Drying
10
77
14
QML
Camarão
Liofilização
86
Rendimento: O rendimento foi determinado através relação entre a massa do hidrogel seco com a massa
total adicionada no sistema de reação, onde a massa seca foi obtida através pesagem em balança analítica
após o processamento no spray-dryer.
Tamanho de partícula e Potencial zeta: O tamanho médio das partículas e a distribuição do tamanho, bem
como o potencial superficial das nanopartículas foi avaliado em um aparelho Malvern Nano Zetasizer,
modelo
Zen
3500.
Resultados e Discussão
As nanopartículas (NPs) foram produzidas pela adição sequencial de soluções de ALG em íons
+2,
cálcio, formando um complexo primário ALG-Ca
revestidos posteriormente por QUI, formando um
complexo polieletrolítico. As propriedades das NPs são determinadas pelas características intrínsecas dos
polímeros envolvidos, pela extensão das interações entre os polímeros na solução e ainda, pelo processo
de secagem, pois pode favorecer a aglomeração das NPs aumentando o tamanho médio das partículas.
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Na Tabela 1, observa o rendimento envolvido em cada processo de secagem. Apesar do processo
de Spray-Drying ter apresentado rendimento muito baixo em comparação com de liofilização, com valores
médios de 12% e 82%), o ciclo de secagem das NPs consome apenas 10% do tempo envolvido na
liofilização, o que pode vir a ser vantajoso, pois o processo por Spray-Drying pode ter os seus parâmetros
aprimorados para que o rendimento do processo seja otimizado, e ainda, as NPs podem ser produzidas em
maior escala.
Neste estudo, objetiva-se produzir nanopartículas com tamanho médio inferior a 600 nm, pois nesta
magnitude apresentam uma boa razão área superficial/diâmetro da partícula, favorecendo uma maior
capacidade de adsorção de metais pesados em leitos contaminados. Os resultados do tamanho de partícula
para as amostras constam na Figura 2.
Figura 2-Gráficos da distribuição do tamanho de partículas pelo volume total de partículas para as amostras (a) QML;
(b) QMSP (c) QJL(d) QJSP.
Observa-se na Figura 2 que as nanopartículas produzidas apresentaram em sua maioria
distribuição multimodal, com vários picos representando uma fração de partículas com tamanho médio
diferenciado. Para fins de interpretação e análise, na Tabela 3 encontram-se os valores médios de cada
pico para as NPs QUI-ALG. De modo geral, as NPs apresentaram a maior fração em volume com tamanho
médio entre 610 e 670 nm, com exceção da amostra de quitosana de caranguejo secada por liofilização
(QJL), que apresentou um tamanho médio de 430nm. As nanopartículas podem ter apresentado maior
tamanho médio devido a possível agregação inter-complexos que podem ocorrem na etapa do revestimento
de quitosana quando adicionada em quantidade maior que o limite de sítios disponíveis remanescentes dos
grupos carboxílicos de ALG. Essa situação pode vir a ser amenizada com a diminuição da quantidade de
quitosana na formação do complexo. As amostras apresentaram ainda uma segunda fração em volume de
NPs com tamanho médio entre 105 e 253 nm, que pode ser atribuída a formação de complexos intramoleculares, sem ocorrência de agregação de NPs. E ainda, uma terceira fração em volume de pequena
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ocorrência (menos do que 5% em volume) apresentou com tamanho inferior a 85 nm, que pode ser
+2
atribuída a formação de complexos primários de ALG-Ca
que não foram revestidos por QUI. Ou seja,
durante o processo de síntese das NPs, possivelmente houve a formação de regiões mais concentradas de
QUI na solução, o que ocasionou em determinados pontos a formação de complexos inter-agregados,
causando um aumento no tamanho médio das partículas, enquanto houve micro-regiões com deficiência de
+2.
QUI no meio, causando o revestimento insuficiente nos complexos primários ALG-Ca
Tabela 3 - Tamanho de partícula e potencial Zeta em função da fração em volume total para as NPs produzidas
Tamanho de Partícula (nm)
PICO 1
Potencial Zeta (mV)
PICO 2
PICO 3
1
QJSP
629
78,20%
157
17,50%
64
4,30%
-32 / -5,5*
QJL
434
64,00%
104
35,00%
43
1,00%
-32 ± 10
QMSP
670
57,70%
253
33,30%
119
6,60%
-31 ± 7,7
QML
610
97,00%
_______
_______
82
2,60%
-32 ± 10
*1- distribuição bimodal de potencial (dois picos)
Foi realizada também a análise do potencial zeta em função da fração em volume total das
nanopartículas, cujos tipos de perfis encontram-se na Figura 3 e os valores médios dos picos encontram-se
na Tabela 3. As amostras QJL, QMSP e QML exibiram perfil similar, apresentando um único pico com larga
distribuição, cujo valor médio de potencial situou-se em -32 mV. Já a amostra QJSP, produzida com
quitosana de caranguejo e secada por spray drying apresentou dois picos, um similar ao apresentado pelas
outras amostras com valor médio de -32 mV, e outro pico com distribuição mais estreita com valor de
potencial de -5,5mV.
Figura 3- Distribuição total do potencial zeta pelo volume total de partículas para as amostras (a) QJL; (b) QJSP
Em função da análise do potencial ter sido realizada em meio aquoso neutro, as nanopartículas
apresentaram potencial com valor negativo. Uma vez que grupamentos amino que revestem as NPs
apresentam-se não protonados em pH neutro, o valor negativo do potencial superficial é referente aos
grupamentos carboxílicos presentes na cadeia do alginato. Análises posteriores a serem realizadas em
diferentes pHs irá determinar o ponto isoelétrico das nanopartículas.
No entanto, o valor de potencial negativo em meio aquoso neutro é favorável para adsorção de
metais pesados, uma vez que em solução apresentam-se a forma cátions que podem facilmente formar
complexos com os grupos carboxílicos presentes nas NPs. Em pHs abaixo de 6 os grupos amino da
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quitosana se protonam, se tornando sítios ativos, juntamente com os grupos hidroxila presentes nas cadeias
dos dois polissacarídeos tornando as nanopartículas potencialmente promissoras para remoção de metais
pesados em leitos contaminados. Estudos posteriores irão quantificar o potencial adsorvente das NPs
frente a diferentes cátions metálicos.
Conclusão
Neste trabalho estudou-se a influencia do tipo de quitosana e do processo de secagem na produção
de nanopartículas de ALG/QUI. As NPs produzidas
apresentaram maior rendimento quando secadas
produzidas por liofilização, no entanto, o processo envolve diversas etapas que envolvem vários dias. As
NPs produzidas por Spray-Drying tiveram perda considerável de rendimento, mas o processo é rápido e
pode ser adaptado para produção em maior escala. Em relação às propriedades físico-químicas das
partículas, observou-se que o processo adotado para síntese produz NPs com distribuição multimodal,
onde a maior fração em volume tem tamanho entre 430 e 670 nm, devido possivelmente a uma agregação
de inter complexos causada por um excesso de QUI no meio reacional. Em menor proporção, tem-se uma
outra fração com menor tamanho, entre 100 e 253 nm, que é atribuída a formação de complexos sem
agregação entre partículas. A análise do potencial superficial mostrou que em meio aquoso neutro as
partículas apresentam valores negativos devido aos grupamentos carboxílicos de alginato, que possibilitam
e viabilizam a formação de complexos com metais pesados. Estudos posteriores irão revelar o ponto
isoelétrico das NPs e quantificar o potencial
adsorvente das NPs para diferentes metais pesados.
Referências
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11. ABREU, F. O. M. S. et al. Propriedades e Características de Quitosana Obtida a Partir do
Exoesqueleto de Caranguejo-Uçá Utilizando Radiação de Micro-Ondas. Polímeros (no prelo).
Agradecimentos
A EMBRAPA pela liofilização das amostras, ao grupo de nanotecnologia e em especial ao Prof. Angelo
Roncalli pelas análises de Potencial Zeta e Tamanho de Partícula, e ao programa de bolsa FUNCAP e
PAVIC.
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