CARACTERIZAÇÃO DOS HIDROGÉIS DO ÁLCOOL
POLIVINÍLICO (PVA) PROCESSADOS POR MÉTODO
QUÍMICO E RADIAÇÃO GAMA
Carolina M. Sadahira1, Adriana N. de Souza2, Herman S. Mansur1*
1
Depto. de Engenharia Metalúrgica e Materiais da UFMG, Rua Espírito Santo, 35/316 - Centro, 30.160-030, Belo
Horizonte/MG;
2
Centro Universitário Newton Paiva, Belo Horizonte – MG, Brazil;
*
[email protected]
Characterization of Poly (vinyl alcohol) Hydrogels Crosslinked by Chemical Method and γ-Radiation
In this study hydrogels of poly (vinyl alcohol) processed by chemical method and gamma radiation were obtained in
order to evaluate the pH responsive behaviour of those systems. The chemical structure of PVA was evaluated through
infrared spectra. The crosslinking was made with glutaraldehyde and citric acid/gamma radiation. The hydrogels were
analyzed on the effectiveness of the crosslinking bounds by the presence of characteristics chemicals groups in the
infrared spectra. The pH-responsive behavior was measured by the swelling tests in different pHs. It was demonstrated
that the PVA hydrogels showed different behaviors when submitted in different pHs, meaning that pH=6 was higher
than pH=3.
Introdução
Recentemente novos desenvolvimentos no campo biomédico estão sendo realizados com o
propósito de avaliar a utilização dos hidrogéis como um sistema para liberação controlada de
drogas. Esta investigação é principalmente justificada devido à similaridade das propriedades físicas
dos hidrogéis com os tecidos vivos e em função do alto conteúdo de água e à baixa tensão
interfacial com a água e os fluidos biológicos [1]. Dentre os hidrogéis, os “estímulo-sensitivos” têm
mostrado maior interesse, uma vez que o comportamento de inchamento exibe dependência com o
meio externo. Assim, estes hidrogéis mostram mudanças drásticas em sua estrutura (com alteração
no inchamento) devido a mudanças de pH, temperatura, força iônica assim como radiação
eletromagnética, resultando na liberação do fármaco incorporado à matriz do hidrogel [2, 3, 4, 5].
Existem diferentes métodos químicos e físicos que podem ser utilizados para a formação das
ligações cruzadas nos hidrogéis. No método químico, as ligações covalentes estão presentes nas
cadeias dos polímeros e na radiação ionizante a reticulação ocorre como um resultado da
recombinação de macroradicais. O álcool polivinílico (PVA) pode ser reticulado através de agentes
de reticulação. Alguns destes agentes incluem: glutaraldeído, acetaldeído, formaldeído e outros
monoaldeídos. Quando estes agentes são utilizados, em presença de ácido sulfúrico, ácido acético
ou metanol, pontes acetais são formadas entre o grupo hidroxila do PVA e o glutaraldeído.
Para aplicações farmacêuticas, especialmente quando o PVA é usado como um carreador na
liberação de drogas, o agente químico utilizado na reticulação poderá alterar a atividade biológica
ou degradar o fármaco incorporado [6]. Tais efeitos adversos são eliminados quando a radiação
gama é utilizada para a formação das ligações cruzadas [7]. Outras vantagens da radiação gama
incluem: todo o processo, isto é, a formação do hidrogel e a esterilização ocorrem simultaneamente
e as propriedades físico-químicas requeridas para o produto podem ser alcançadas pelo ajuste da
intensidade, tipo e tempo de radiação (dose).
Segundo a literatura [8, 9] é bastante conhecida a formação de hidrogéis de PVA pela irradiação de
suas soluções com radiação ionizante. Adicionalmente, o ácido cítrico pode ser incorporado à
cadeia do PVA, através da radiação gama, para intensificação da propriedade pH-sensitiva do
hidrogel formado.
Experimental
Para a realização dos experimentos foi utilizado o PVA com grau de hidrólise (GH) de 98-98,8% e
massa molar (Mw) entre 85000-124000 g/mol, do fornecedor Celanese Chemicals - USA (tabela 1).
Para as identificações das amostras do PVA e hidrogéis derivados do PVA, os dois primeiros
números identifica o GH e os dois últimos, a milhagem da Mw.
Tabela 1 – Identificação das amostras
PVA
PVA 98-85
Identificação das Amostras
PVA +
PVA + Ácido Cítrico/Radiação
PVA + GA
Radiação Gama
Gama
PVA/GA/98/85
PVA/RAD/98/85
PVA/Ac/RAD//98/85
Preparo da solução aquosa de PVA
A solução de PVA (PVA 98-85) foi preparada na concentração de 10% (p/p), utilizando água
miliQ. Inicialmente, sob agitação magnética, o PVA foi adicionado lentamente em um erlenmeyer
contendo água, à temperatura ambiente. Em seguida, o erlenmeyer foi aquecido em banho-maria
(temperatura entre 85±5ºC) até solubilização completa. Após resfriamento, foi adicionada água para
compensação do solvente evaporado e o pH foi corrigido para 2,00± 0,05 com HCl 1,0 M (P.A.,
Synth, Brasil).
Síntese do filme de PVA
Foram transferidos 4,0 mL da solução de PVA a 10% p/p (PVA 98-85) para moldes de plástico de
3,0 cm de diâmetro. Em seguida, os mesmos foram colocados em estufa a 40ºC, por 48 horas, para
secagem. Para os testes de inchamento, o filme de PVA foi cortado nas dimensões aproximadas de
2 cm de diâmetro.
Reticulação com Glutaraldeído (GA)
Hidrogéis de PVA reticulados com glutaraldeído foram preparados misturando 20,0 mL (0,0448
moles) da solução aquosa de PVA 10% (p/p) (PVA 98-85) com 0,0025 moles; 0,0050 moles;
0,0075 moles; 0,010 moles, 0,012 moles e 0,015 moles de GA na concentração de 25% V/V
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros
(Sigma, USA). Após 5 minutos de reação, em temperatura ambiente, 4,0 mL das soluções PVA/GA
foram transferidas para moldes de plástico de 3,0 cm de diâmetro e deixadas em estufa a 40ºC, por
72 horas, para secagem. Os testes de inchamento do hidrogel foram realizados com a razão molar
0,0050 GA: 0,0448 PVA. As amostras após secagem, foram lavadas com água milliQ para
eliminação de possíveis resíduos e excesso do agente reticulante, com posterior secagem a 40ºC por
48 horas e cortadas nas dimensões aproximadas de 2 cm de diâmetro.
Reticulação com Ácido Cítrico e Radiação Gama
Em balão de fundo redondo contendo 100,0 mL da solução de PVA a 10% p/p ((PVA 98-85)
adicionou-se 4,0 g de ácido cítrico anidro (99,5%, Fluka, USA). As amostras foram levadas ao
banho-maria a 80ºC, sob refluxo, e agitadas constantemente, por aproximadamente 8±1 minuto.
Após resfriamento, 30,0 mL das soluções foram transferidas para moldes de plástico de 9 cm de
diâmetro. Após inertização com nitrogênio, as amostras foram enviadas à empresa Embrarad (São
Paulo, Brasil), para serem irradiadas com 5 kGy, 10 kGy, 15 kGy, 20 kGy e 25 kGy. Uma fonte de
Cobalto-60 (tipo C188) com atividade de 1.359.452 Ci e taxa de dose de 3,12 kGy/hora foi utilizada
para a irradiação. Todos os experimentos foram realizados no canal experimental (66 cm de
comprimento; 32,5 largura e 30,0 cm de profundidade). Em seguida, as amostras foram mantidas
em estufa a 40ºC, por 48 horas, para secagem. Para os testes de inchamento e FTIR, as amostras
foram cortadas nas dimensões aproximadas de 2 cm de diâmetro e lavadas com água miliQ por 4
dias para eliminação de possíveis resíduos, com posterior secagem a 40ºC, por 48 horas.
Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)
O filme de PVA na concentração de 10% p/p (PVA 98-85), o hidrogel de PVA reticulado com GA
(PVA/GA/98/85), o PVA irradiado (PVA/RAD/98/85) e o PVA com ácido cítrico/radiação gama
(PVA/Ac/RAD/98/85) foram analisados usando a técnica de transmitância. Os espectros foram
obtidos utilizando o equipamento FTIR Spectrometer Universal ATR Sampling Acessory Spectrum
One, Perkin Elmer, na faixa de número de onda compreendida entre 650-4000 cm-1 e resolução de 2
cm-1. Os espectros FTIR foram normalizados e as principais bandas de vibração foram associadas
com grupos químicos.
Teste de Inchamento
O filme de PVA (PVA 98-85), o hidrogel de PVA reticulado com GA na razão molar 0,0050
GA:0,0448 PVA (PVA/GA/98/85), o PVA irradiado com 15 kGy (PVA/RAD/98/85) e o PVA com
ácido cítrico/15 kGy (PVA/Ac/RAD/98/85) foram analiticamente pesados e colocados em
erlenmeyers de 150 mL. Em seguida, um volume fixo de 50 mL da solução tampão-fosfato nos pHs
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros
3, 6 e 9 foram adicionados aos erlenmeyers. As amostras foram colocadas em “shaker” (Innova TM
4330 Refrigerated Incubator Shaker, New Brunswick Scientific) por 120 minutos, sob agitação a
150 rpm e 37ºC. Em intervalos regulares (30, 60, 90 e 120 minutos), as amostras foram retiradas, o
excesso de água superficial removido com papel de filtro e pesadas em balança analítica. O grau de
inchamento foi calculado pela equação Mt – M0/M0 .100%, onde Mt representa a massa da amostra
inchada no tempo t, e M0 à massa inicial da amostra antes do inchamento [10].
Resultados e Discussão
A figura 1 e a tabela 2 mostram os espectros do FTIR para o filme do PVA e hidrogel de PVA
reticulado com GA assim como as principais bandas vibracionais com os números de onda
correspondentes. Há um indicativo de que a reação do PVA com o GA promova uma redução da
intensidade da banda I do O-H indicando a possível formação das pontes acetais. Sugere-se excesso
de GA, mesmo após enxágües com água, uma vez que foram evidenciados picos característicos de
aldeído (banda II): uma banda de absorção entre 2730 a 2720 cm-1 , assim como duas bandas
moderadamente intensas (dubletes) na região de 2830-2695 cm-1, mostrando a deformação do C-H e
as presenças das bandas III e IV referentes ao estiramento de C=O e C-O-C [11]. Outra explicação
para a presença dos picos de aldeído no hidrogel seria pela reação incompleta do GA com os grupos
OH do PVA. Como o GA é um agente reticulante bifuncional, um grupo aldeído reagiria com a
cadeia polimérica do PVA formando uma estrutura hemi-acetal enquanto que o outro ficaria sem
reagir em função de uma limitação conformacional ou cinética [12].
100
I
IV
III
II
(b)
80
(a)
60
%T
40
20
0
4000
3000
2000
1500
1000
650
-1
Número de Onda (cm )
Figura 1 – Modo vibracional esquemático e freqüências das bandas do PVA e do PVA reticulado com GA: (a) PVA 98-85, (b) PVA/GA/98/85
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros
Tabela 2 - Modos vibracionais com número de onda correspondente para o PVA e para o hidrogel de PVA com glutaraldeído
Grupo característico
Número de Onda (cm-1)
Identificação
O-H da ligação de hidrogênio
PVA
ν 3550-3200
intermolecular e intramolecular
I
PVA +
O-H da ligação de hidrogênio
ν 3550-3200
GA
intermolecular e intramolecular
PVA
C-H do grupo alquila
ν 2840-3000
ν 2730 a 2720
II
PVA +
C-H do aldeído
Dois picos em
GA
ν 2830-2695
PVA
C=O
ν 1750-1735
III
PVA +
C=O
ν 1750-1735
GA
PVA
C-O-C
ν 1150-1085
IV
PVA +
C-O-C
ν 1150-1085
GA
A figura 2 apresenta os espectros do PVA e dos hidrogéis de PVA reticulados com GA nas razões
molares de 0,0025 GA:0,0448 PVA; 0,0050 GA:0,0448 PVA e 0,0075 GA:0,0448 PVA. Pode-se
observar uma tendência na redução da intensidade da banda de OH em maiores concentrações de
glutaraldeído, indicando que a reação do PVA com GA ocorre pela formação de pontes acetais entre
os grupamentos hidroxilas das cadeias de PVA quando este agente reticulante é usado e catalisado
por ácido clorídrico.
(d )
(c )
(b )
(a )
4000
3500
3000
2500
2000
N ú m e ro d e o n d a (c m
1500
-1
)
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros
1000
Figura 2 - Espectro no infravermelho para PVA (a) e PVA reticulado com GA (PVA/GA/98/85): (b) 0,0025 GA:0,0448 PVA (mol/mol), (c)
0,0050 GA:0,0448 PVA (mol/mol), (d) 0,0075 GA:0,0448 PVA (mol/mol).
A figura 3 apresenta os espectros FTIR obtidos para o PVA (PVA 98-85) e PVA submetido à
radiação gama (PVA/RAD/98/85). Observam-se diferenças entre os espectros nas regiões C=O
(1750-1735 cm-1), C=C (1652-1624 cm-1), 1141 cm-1 e C-H dos alcanos (3000-2840 cm-1), este
último quando submetido a 25 kGy. No entanto, não podemos concluir que houve uma degradação
do PVA com as doses utilizadas neste estudo uma vez que a literatura [13, 14] relata degradação
quando se observa acentuado decaimento nas bandas OH (ν 3440-3420 cm-1), C-H (ν 2922 cm-1) e
C-O (ν 1096 cm-1) assim como o aparecimento de bandas C=O do aldeído (ν1736-1707 cm-1) e
C=C (ν 1652-1624 cm-1) com doses iguais ou superiores a 50kGy.
ν C=O
ν C=C
ν C-H
f
1141 cm-1
e
d
c
b
a
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
-1
Número de onda (cm )
Figura 3 - Espectros na região do infravermelho (4000 cm-1a 650 cm-1): (a) PVA, (b) PVA/RAD 5 kGy, (c) PVA/RAD 10kGy, (d) PVA/RAD
15kGy, (e) PVA/RAD 20kGy, (f) PVA/RAD 25kGy.
A figura 4 apresenta os espectros FTIR obtidos para o PVA (PVA 98-85) e o PVA com ácido
cítrico submetido a diferentes doses de radiação gama (PVA/Ac/RAD/98/85). Pode-se observar um
aumento da intensidade das bandas correspondentes às ligações C=O (1750 a 1735 cm-1), indicando
que os grupos carboxila do ácido cítrico foram incorporados à cadeia principal do polímero. A
possível interferência do resíduo de ácido cítrico nos espectros foi eliminada através do enxágüe
com água MilliQ por 4 dias. Adicionalmente, não foi evidenciada uma correlação entre intensidade
do pico de carbonila e a dose de irradiação. De acordo com os perfis demonstrados no FTIR,
sugere-se que a dose de 5 kGy já seja suficiente para promover a reticulação.
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros
f
ν C=O
e
d
c
b
a
4 0 0 0
3 5 0 0
3 0 0 0
2 5 0 0
N ú m e ro
d e
2 0 0 0
o n d a
(c m
1 5 0 0
-1
1 0 0 0
)
Figura 4 - Espectros na região do infravermelho (4000 cm-1a 650 cm-1): (a) PVA; (b) PVA/Ac/RAD 5kGy; (c) PVA/Ac/RAD 10kGy; (d)
PVA/Ac/RAD 15kGy; (e) PVA/Ac/RAD 20 kGy
A figura 5 compara o inchamento do PVA (PVA 98-85) com o PVA reticulado com GA
(PVA/GA/98/85 na razão molar 0,0050 GA:0,0448 PVA) sob diferentes pH’s (3, 6 e 9). Foi
observado que a diminuição nos grupos hidroxilas, verificados no FTIR após reação de reticulação,
reduziu significativamente a afinidade dos polímeros pela água resultando na redução da taxa de
inchamento. Embora a literatura [9] reporte que o PVA tenha um comportamento quase neutro
frente ao estímulo de diferentes pH’s, foi observado que o PVA e hidrogéis derivados de PVA
apresentaram comportamento pH sensitivo. A figura também indica que o aumento do pH de 6 para
9 resultou em uma diminuição na taxa de difusão da água. Uma teoria que explica este
comportamento está relacionada com a instabilidade do sistema nos pHs 3 e 9, em função da maior
concentração dos íons [H+] ou [OH-], dificultando a difusão da água entre as cadeias. Já para o pH 6
(próximo ao neutro) sugere-se maior estabilidade uma vez que a concentração dos íons [H+] e [OH-]
é praticamente a mesma, resultando em maior difusão e consequentemente maior inchamento.
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros
Inchamento (%)
150,0
100,0
50,0
0,0
pH 3
pH6
pH
□ PVA 98-85
pH 9
■ PVA/GA/98/85
Figura 5 - Inchamento do PVA 98-85 e PVA/GA/98/85 na razão molar 0,0050 GA: 0,0448 PVA em 60 minutos.
A figura 6 compara os resultados de inchamento do PVA não irradiado com o PVA irradiado com
15 kGy e ácido cítrico, em diferentes pH’s. O aumento expressivo do inchamento deste último pode
ser atribuído ao aumento da hidrofilicidade do hidrogel devido às ligações dos grupos funcionais
como hidroxila e/ou carboxílicos à cadeia principal do polímero. A caracterização pelo FTIR dos
hidrogéis de PVA contendo ácido cítrico revelou a presença destes dois grupamentos químicos.
O maior inchamento para o sistema PVA/Ac/RAD 15 kGy com o aumento do pH pode ser devido a
repulsão entre as cargas negativas dos grupos carboxílicos, em função dos pKas do ácido cítrico
(3,15 (pKa1);
4,77 (pKa2) e 5,19 (pKa3)). Os resultados para o pH 9 são menores quando
comparados ao pH 6 provavelmente devido à neutralização das cargas negativas dos grupos
carboxílicos pelo aumento da força iônica.
Inchamento (%)
400,0
300,0
200,0
100,0
0,0
pH 3
pH 6
pH 9
PVA/Ac/RAD
PVA
Figura 6 - Comparativo de inchamento do PVA não irradiado e PVA irradiado com ácido cítrico (4% p/V), após 120 minutos de inchamento.
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros
A figura 7 compara os resultados de inchamento do PVA irradiado com 15 kGy e do PVA com
ácido cítrico e irradiado com 15 kGy. É notável o aumento do inchamento para o PVA contendo
ácido cítrico e radiação gama. Nos hidrogéis contendo ácido cítrico, diferentemente dos demais,
existem grupamentos hidrofílicos (hidroxila e carboxila) responsáveis pela entrada de solvente
(água) na matriz polimérica, além da repulsão eletrostática da desprotonação dos grupos
carboxílicos.
500,0
450,0
Inchamento (%)
400,0
350,0
300,0
250,0
200,0
150,0
100,0
50,0
0,0
PVA/RAD
PVA/Ac/RAD
Figura 7 - Comparativo de inchamento do PVA irradiado e PVA irradiado com ácido cítrico (4% p/V), após 120 minutos de inchamento.
Conclusões
A técnica espectroscópica FTIR pode ser considerada uma ferramenta importante para a
investigação do PVA e dos hidrogéis derivados do PVA resultantes da reticulação química e
radiação gama. Os espectros do infravermelho para o PVA, PVA reticulado com glutaraldeído e
PVA reticulado com ácido cítrico/radiação gama, mostraram que o procedimento experimental
desenvolvido neste trabalho foi eficiente para a obtenção dos hidrogéis pH sensitivos, indicando um
alto potencial para ser utilizado em sistemas de liberação de drogas.
Agradecimentos
O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico – CNPq e da FAPEMIG.
Referências Bibliográficas
1. J.M Gohil; A. Bhattacharya, P. Ray J. of Polymer Science. 2006, 13, 161.
2. J. Ruiz; A. Mantecón; V. Cádiz Polymer. 2001, 34, 6347.
3. T. Miyata; T. Uragami; K. Nakamae Advanced Drug Delivery Reviews. 2002, 54, 79.
4. P. Gupta; K. Vermani; S. Garg Drug Discovery Today. 2002, 10, 569.
5. R. Langer; N.A. Peppas Journal AIChE. 2003, 49, 2990.
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros
6. C. M. Hassan; N.A. Peppas Advanced in Polymer Science, 2000, 153, 38.
7. W. E. Hennink; C. F. Nostrum Advanced Drug Delivery Reviews, 2002, 54, 13.
8. Z. Ajji Radiation Physics and Chemistry, 2005, 74, 36.
9. H. Bodugoz; N. Pekel ; O. Guven Radiation Physics and Chemistry, 1999, 55, 667.
10. M. V. Risbud; A. A. Hardikar; S.V. Bhat; R. R. Bhonde Journal of Controlled Release, 2000,
68, 23.
11. R. M. Silverstein; G.C. Bassler; T. C. Morrill, Identificação Espectrométrica de Compostos
Orgânicos, Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 1994.
12. C. M. Sadahira; H. S. Mansur Elsevier Editorial System (tm) for Materials Science and
Engeneering C, 2006.
13. N. V. Bhat; M. M. Nate; M. B. Kurup; V. A. Bambole; S. Sabharwal Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research B, 2005, 237, 585.
14. S. J. Zhang; H. Q. Yu Water Research, 2004, 38, 309.
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros