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Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Engenharia Química
Departamento de Desenvolvimento de Processos e
Produtos
Instituto Nacional de Biofabricação- Biofabris
DESENVOLVIMENTO DE MICRORREATOR PARA SÍNTESE DE POLÍMEROS
BIORREABSORVÍVEIS (PLLA) UTILIZADOS COMO IMPLANTES BIOMÉDICOS
Milena Savioli Lopes
Campinas - SP
Novembro de 2014
ii
iii
Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Engenharia Química
Departamento de Desenvolvimento de Processos e
Produtos
Instituto Nacional de Biofabricação- Biofabris
DESENVOLVIMENTO DE MICRORREATOR PARA SÍNTESE DE POLÍMEROS
BIORREABSORVÍVEIS (PLLA) UTILIZADOS COMO IMPLANTES BIOMÉDICOS
Tese de Doutorado apresentada à Faculdade
de Engenharia Química, da Universidade
Estadual de Campinas, como requisito para a
obtenção do título de Doutora em Engenharia
Química.
Orientador: Prof° Dr.Rubens Maciel Filho Coorientador: Dr. André Luiz Jardini Munhoz
Campinas - SP
Novembro de 2014
iv
v
Tese de Doutorado defendida por Milena Savioli Lopes e aprovada em 18 de Novembro
de 2014 pela banca examinadora constituída pelos doutores:
vi
vii
Este exemplar corresponde à versão final da Tese de Doutorado defendida por Milena
Savioli Lopes e orientada pelo Prof. Dr. Rubens Maciel Filho.
viii
ix
Aos meus pais, pelo incentivo e confiança depositada.
Pela paciência e amor que sempre demonstraram.
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xi
AGRADECIMENTOS
Ao professor Dr. Rubens Maciel Filho, pela orientação, confiança e por tornar
possível a realização desse trabalho.
Aos meus pais, José Marcos e Beth e as meninas Melina e Emília.
Ao Dr. André Luiz Jardini Munhoz, pela coorientação, atenção e conhecimento
transmitido durante estes anos.
Á Dra. Ingrid Rocha pela coorientação mesmo que indiretamente.
Á FAPESP pelo apoio financeiro.
Enfim, a todos aqueles que de alguma maneira, direta ou indireta, contribuíram na
realização deste trabalho, meus sinceros agradecimentos.
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xiii
RESUMO
Atualmente, o conceito de sustentabilidade vem ganhando cada vez mais espaço
e com ele os desafios de melhorar os processos industriais. O uso dos microrreatores
surge como uma opção atraente e com potencial para atender às diversas e crescentes
exigências ambientais e econômicas. Por outro lado, o mau funcionamento ou a perda de
funções totais ou parciais de um órgão ou tecido resultante de doenças ou traumas, é um
dos mais importantes e preocupantes problemas de saúde pública, atingindo um número
significativo de pessoas em todo o mundo. Dessa forma, o principal objetivo dessa tese foi
o desenvolvimento, fabricação e avaliação de microrreator capaz de realizar a síntese de
polimerização do poli (L-ácido láctico) (PLLA) utilizado como implantes biomédicos. Para
o cumprimento desse objetivo, foi necessário avaliar separadamente as condições de
síntese e as rotas de obtenção do PLLA. O rota escolhida de polimerização para ser
desenvolvida em microrreator foi a policondensação direta. Os produtos foram gerados e
caracterizados por diferentes técnicas de análise. Os resultados mostraram semelhança
entre os dois produtos e sua avaliação citotóxica permitiu confirmar sua aplicação com
biomaterial. Pode-se concluir que o microrreator proposto apresentou-se com grande
potencial na realização da polimerização do PLLA por policondensação direta do ácido
láctico.
Palavras-chaves: Microrreator, poli (L-ácido láctico), policondensação direta
xiv
xv
ABSTRACT
Currently, the concept of sustainability has been gaining more space and with it the
challenges of improving industrial processes. The use of microreactors emerges as an
attractive and potential option to meet the diverse and growing environmental and
economic requirements. Furthermore, the malfunction or loss of total or partial functions of
an organ or tissue resulting from disease or trauma is a major concern and public health
problems, achieving a significant number of people worldwide. Thus, the main objective of
this thesis was the development, manufacture and evaluation of microreactor capable of
performing the synthesis of polymerization of poly (L-lactic acid) (PLLA) used as
biomedical implants. To fulfill this objective, it was necessary to separately evaluate the
conditions of synthesis and routes of obtaining the PLLA. The route chosen for
polymerization with microreactor to be developed was in direct polycondensation. The
products were generated and characterized by different analysis techniques. The results
showed similarity between the two products and their cytotoxic evaluation confirmed their
application with biomaterial. It can be concluded that the idea of microreactor proposed
has been presented with great potential in fulfilment of the polymerization of the PLLA by
direct polycondensation of lactic acid.
Keywords: Microreactor, Poly (L-lactic acid), Direct polycondensation
xvi
xvii
SUMÁRIO
RESUMO ......................................................................................................................... xiii
ABSTRACT ...................................................................................................................... xv
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ xxi
LISTA DE TABELAS ....................................................................................................... xxv
NOMENCLATURA ........................................................................................................ xxvii
1. Introdução ...................................................................................................................... 1
1.1 Justificativa e Objetivos da Pesquisa ........................................................................ 2
1.2 Organização da Tese ............................................................................................... 3
2. Micro-Fabricação ........................................................................................................... 5
2.1 Introdução ................................................................................................................ 5
2.2 Microrreatores .......................................................................................................... 6
2.3 Tipos de Microrreatores ............................................................................................ 7
2.3.1 Microrreatores Aplicados em Reações em Fase Gasosa ................................... 8
2.3.2 Microrreatores Aplicados em Reações em Fase Gás/líquido ............................. 8
2.3.3 Microrreatores Aplicados em Reações em Fase Líquida ................................. 10
2.4 Métodos de Fabricação .......................................................................................... 12
2.5 Manufatura Aditiva ................................................................................................. 14
2.5.1 Processos de Manufatura Aditiva ..................................................................... 15
2.6 Conclusão .............................................................................................................. 21
3. Biomateriais ................................................................................................................. 23
3.1 Introdução .............................................................................................................. 23
3.3 Polímeros Biorreabsorvíveis ................................................................................... 25
3.4 Poli (ácido láctico) .................................................................................................. 28
3.6 Conclusão .............................................................................................................. 35
4. Materiais e Métodos..................................................................................................... 37
4.1 Introdução .............................................................................................................. 37
4.2 Metodologia Experimental ...................................................................................... 37
4.3 Equipamentos e Materiais Utilizados ...................................................................... 39
4.4 Técnicas de Caracterização dos Produtos ............................................................. 40
4.4.1 Espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)................. 40
4.4.2 Cromatografia Gasosa Acoplada à Espectrometria de Massa (GC-MS) .......... 40
4.4.3 Cromatografia Gasosa com Detector de Ionização de Chama (GC-FID) ......... 41
xviii
4.4.4 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) ..................................................... 41
4.4.5 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) .................................................... 41
4.4.6 Reologia dos Polímeros Fundidos ................................................................... 42
4.4.7 Cromatografia de Permeação em Gel (GPC) ................................................... 44
4.4.8 Ângulo de Contato ........................................................................................... 44
4.4.9 Análise Dinâmico-Mecânica (DMA) .................................................................. 44
4.4.10 Avaliação da Citotoxicidade ........................................................................... 45
5. Síntese do Poli (L-Ácido-Láctico) por Policondensação Direta. .................................... 47
5.1 Introdução .............................................................................................................. 47
5.2 Desenvolvimento Experimental .............................................................................. 47
5.3 Síntese do PLA por Policondensação Direta .......................................................... 49
5.4 Resultados da Síntese por Policondensação Direta ............................................... 50
5.4.1 Espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)................. 51
5.4.2 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) ..................................................... 53
5.4.3 Cromatografia de Permeação em Gel (GPC) ................................................... 56
5.4.4 Ângulo de Contato ........................................................................................... 57
5.4.5 Avaliação da Citotoxicidade pelo Método do MTT ............................................ 58
5.4.6 Investigação da Morfologia das Células por Microscopia Eletrônica de Varredura
(MEV) ....................................................................................................................... 59
5.5 Conclusão .............................................................................................................. 60
6. Síntese do Poli (L-Ácido-Láctico) por Abertura de Anel. .............................................. 63
6.1 Introdução .............................................................................................................. 63
6.2 Desenvolvimento Experimental .............................................................................. 64
6.2.1 Policondensação.............................................................................................. 64
6.2.2 Obtenção do Lactídeo ...................................................................................... 65
6.2.3 Polimerização por Abertura de Anel ................................................................. 66
6.3 Síntese do PLLA por Abertura de Anel ................................................................... 67
6.3.1 Policondensação.............................................................................................. 67
6.3.2 Obtenção do Lactídeo ...................................................................................... 67
6.3.3 Polimerização por abertura de anel ................................................................. 71
6.4 Resultados da Síntese do PLLA por Abertura de Anel ........................................... 72
6.4.1 Resultados com Lactídeo comercial ................................................................. 72
6.4.2 Resultados com Lactídeo Produzido em Laboratório ....................................... 89
6.5 Conclusão .............................................................................................................. 98
xix
7. Determinação da Energia de Ativação e Conversão da Reação de Polimerização por Abertura de Anel em Massa do Poli (L-Ácido Láctico) (PLLA) por DSC ......................... 101
7.1 Introdução ............................................................................................................ 101
7.2 Desenvolvimento Experimental ............................................................................ 104
7.2.1 Análises por DSC ........................................................................................... 104
7.2.2 Cinética .......................................................................................................... 105
7.3 Conclusão ............................................................................................................ 111
8. Desenvolvimento, Fabricação e Reações em Microrreator ........................................ 113
8.1 Introdução ............................................................................................................ 113
8.2 Desenvolvimento do Microrreator ......................................................................... 113
8.3 Reações de Polimerização em Microrreator ......................................................... 118
8.4 Resultados da Reação em Microrreator ............................................................... 123
8.4.1 Espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)............... 123
8.4.3 Cromatografia de Permeação em Gel (GPC) ................................................. 126
8.4.4 Ângulo de Contato ......................................................................................... 128
8.4.5 Avaliação da Citotoxicidade pelo Método do MTT .......................................... 129
8.4.6 Investigação da Morfologia das Células por Microscopia Eletrônica de Varredura
(MEV) ..................................................................................................................... 131
8.5 Conclusão ............................................................................................................ 132
9. Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros ...................................................... 135
10. Referências Bibliográficas ........................................................................................ 137
xx
xxi
LISTA DE FIGURAS
Figura 2. 1 Representação esquemática de contato de fases líquida e gasosa em uma
configuração de filme descendente (HESSEL et al., 2000). ............................................... 9
Figura 2. 2 Aparelho microfluídico para a ATRP do HPMA (WU et al., 2004). ................. 11
Figura 2. 3 Esquema do processo de estereolitografia (CUSTOMPARTNET, 2008)........ 16
Figura 2. 4 Esquema do processo de sinterização seletiva a laser (CUSTOMPARTNET,
2008). .............................................................................................................................. 17
Figura 2. 5 Esquema do processo de modelagem por fusão e deposição
(CUSTOMPARTNET, 2008). ........................................................................................... 18
Figura 2. 6 Esquema do processo de sinterização direta de metal a laser
(CUSTOMPARTNET, 2008). ........................................................................................... 19
Figura 2. 7 Esquema do processo de impressão tridimensional (CUSTOMPARTNET,
2008). .............................................................................................................................. 20
Figura 3. 1 Estruturas espaciais dos estereoisômeros do ácido láctico. ........................... 29
Figura 3. 2 Mecanismos de formação do lactídeo e seus isômeros (JAHNO, 2005). ....... 30
Figura 3. 3 Membrana de PLLA (PROIKAKIS et al., 2002). ............................................. 31
Figura 3. 4 Representação da equação de policondensação do ácido láctico.................. 31
Figura 3. 5 Representação da abertura do anel do dímero cíclico do ácido láctico.
(CHABOT et al., 1983). .................................................................................................... 32
Figura 3. 6 Parafusos, pinos e placas de PLLA (JAHNO, 2005). ..................................... 34
Figura 4. 1 Diagrama de blocos das atividades realizadas. ............................................. 38
Figura 5. 1 Rotas convencionais de obtenção de PLLA (LASPRILLA, 2011). .................. 48
Figura 5. 2 Sistema experimental para polimerização do PLLA. (1) Reator de
polimerização, (2) Manta de aquecimento, (3) Gás inerte (4) Controlador de temperatura,
(5) Agitador, (6) Condensador, (7) Balão de condensação, (8) Trap fria, (9) Bomba de
vácuo (LASPRILLA, 2011). .............................................................................................. 48
Figura 5. 3 Produto obtido pela policondensação direta. .................................................. 51
Figura 5. 4 Comparação FTIR entre PLLA padrão e síntese. ........................................... 52
Figura 5. 5 Termograma DSC do PLLA padrão. .............................................................. 54
xxii
Figura 5. 6 Termograma DSC da degradação do PLLA padrão. ...................................... 54
Figura 5. 7 Termogramas de DSC do Polímero PLLA por DP. ......................................... 55
Figura 5. 8 Análise de citotoxicidade para as amostras obtidas por DP com e sem
purificação pelo método MTT. .......................................................................................... 59
Figura 5. 9 Microscopia no polímero obtido por DP antes (esquerda) e após (direita)
processo de purificação. .................................................................................................. 60
Figura 6. 1 Sistema experimental de obtenção do lactídeo. ............................................. 65
Figura 6. 2 Reator utilizado para a síntese de PLA por abertura de anel. ........................ 66
Figura 6. 3 Condensador com cristais de lactídeo. .......................................................... 69
Figura 6. 4 Lactídeo produzido. ....................................................................................... 70
Figura 6. 5 PLA antes (esquerda) e após (direita) purificação. ......................................... 71
Figura 6. 6 Espectro FTIR para os polímeros de PLLA padrão e em diferentes
concentrações de catalisador. ......................................................................................... 73
Figura 6. 7 Termograma DSC do polímero 0,1 %. ........................................................... 74
Figura 6. 8 Termograma DSC do polímero 0,3 %. ........................................................... 75
Figura 6. 9 Termograma DSC do polímero 0,5 % ............................................................ 75
Figura 6. 10 Termograma DSC do polímero 0,8%. .......................................................... 76
Figura 6. 11 Termograma DSC do polímero 1,0 % não purificado. .................................. 76
Figura 6. 12 Viscosidade versus taxa de cisalhamento do PLLA padrão a 200 °C. .......... 78
Figura 6. 13 Ensaio de DMA para polímero 0,5%. ........................................................... 82
Figura 6. 14 Ensaio de DMA para polímero 1,0%. ........................................................... 83
Figura 6. 15 Análise de citotoxicidade para as amostras do polímero obtidos com 0,5% de
catalisador não purificado (n.p) e purificado (p.) pelo método MTT. ................................. 84
Figura 6. 16 Análise Live/Dead do polímero por microscopia de fluorescência. ............... 86
Figura 6. 17 Análise Live/Dead do polímero por microscopia de fluorescência. ............... 87
Figura 6. 18 Microscopia de diferentes polímeros obtidos. .............................................. 88
Figura 6. 19 Espectro de massas do L-lactídeo obtido. .................................................... 89
Figura 6. 20 Espectro de massas do meso-lactídeo......................................................... 90
xxiii
Figura 6. 21 Cromatograma (GC-FID) obtido da amostra de lactídeo. ............................. 90
Figura 6. 22 Espectro FTIR da amostra de lactídeo sintetizado e lactídeo padrão. .......... 92
Figura 6. 23 Espectro FTIR do PLLA obtido com lactídeo em laboratório em comparação
com PLLA padrão. ........................................................................................................... 93
Figura 6. 24 Termograma DCS para o polímero obtido com lactídeo sintetizado. ............ 94
Figura 6. 25 Dados de citotoxicidade para o PLLA obtido com lactídeo sintetizado. ........ 97
Figura 6. 26 Microscopia de viabilidade celular e região de fratura do polímero sintetizado
com 0,5% de lactídeo sintetizado..................................................................................... 98
Figura 7. 1 Perfil da curva dinâmica em função da temperatura para as diferentes taxas de
aquecimento estudadas. ................................................................................................ 106
Figura 7. 2 Conversão em função da temperatura para as diferentes taxas de
aquecimento estudadas. ................................................................................................ 107
Figura 7. 3 Energia de ativação calculada para a reação em massa por ROP do PLLA. 108
Figura 7. 4 Conversão em função do tempo para diferentes temperaturas. ................... 108
Figura 7. 5 Conversão em função do tempo e a temperatura. ....................................... 109
Figura 7. 6 Reações em diferentes taxas de aquecimento para o processo de
polimerização do PLLA por ROP. .................................................................................. 110
Figura 8. 1 Microrreator utilizado na polimerização por abertura de anel da
Policoprolactona (KUNDU et al., 2011). ......................................................................... 113
Figura 8. 2 Modelo CAD do microrreator. ....................................................................... 114
Figura 8. 3 Protótipo de microrreator. ............................................................................ 115
Figura 8. 4 Parte superior do microrreator. .................................................................... 117
Figura 8. 5 Parte inferior do microrreator. ...................................................................... 117
Figura 8. 6 Microrreator desenvolvido e fabricado por usinagem. .................................. 118
Figura 8. 7 Início da montagem do microrreator. ............................................................ 119
Figura 8. 8 Sistema completo para a reação em microrreator. ....................................... 119
Figura 8. 9 Ácido láctico após desidratação. .................................................................. 120
Figura 8. 10 Primeiro produto de reação em microrreator. ............................................. 121
xxiv
Figura 8. 11 Produtos obtidos com vazão de 80 mL/hora (esquerda) e 70 mL/hora
(direita). ......................................................................................................................... 121
Figura 8. 12 Polímero obtido com vazão de 20 mL/hora. ............................................... 122
Figura 8. 13 Espectro FTIR obtidos para o PLLA padrão e o PLLA em microrreator...... 124
Figura 8. 14 Termograma de DSC para o polímero antes e após purificação. ............... 125
Figura 8. 15 Gráfico comparativo dos valores de massa molar dos polímeros. .............. 127
Figura 8. 16 Análise de citotoxicidade para as amostras obtidas em microrreator pelo
método MTT. ................................................................................................................. 131
Figura 8. 17 Microscopia eletrônica de varredura nas superfícies do polímero. ............. 132
xxv
LISTA DE TABELAS
Tabela 3. 1 Poli (α-hidróxi ácidos) (JAHNO, 2005). .......................................................... 28
Tabela 4 . 1 Reagentes utilizados na síntese do PLLA. ................................................... 39
Tabela 5. 1 Condições de reação utilizadas na Síntese do PLLA. ................................... 50
Tabela 5. 2 Bandas de absorção do PLLA padrão e síntese por DP. ............................... 53
Tabela 5. 3 Valores de massa molar (Mn e Mw) e polidispersão do polímeros obtidos por
DP, antes e após purificação. .......................................................................................... 56
Tabela 5. 4 Valores de ângulos de contato para os polímeros obtidos por DP................. 57
Tabela 5. 5 Dados da citotoxicidade pelo ensaio de viabilidade celular com método do
MTT para as amostras de PLLA obtidos em microrreator. ............................................... 58
Tabela 6. 1 Condições de operação avaliadas na obtenção do Lactídeo. ........................ 70
Tabela 6. 2 Valores específicos para os eventos térmicos dos polímeros sintetizados .... 77
Tabela 6. 3 Parâmetros da Equação de Careau-Yasuda e Massa Molecular do PLLA. ... 79
Tabela 6. 4 Valores encontrados de massa molar para os polímeros sintetizados. ......... 79
Tabela 6. 5 Valores de massa molar (Mn e MW) e polidispersão do polímero 1.0%. ....... 80
Tabela 6. 6 Valores de ângulo de contato para os polímeros obtidos por ROP................ 81
Tabela 6. 7 Valores de Tg a partir da análise DMA. ......................................................... 83
Tabela 6. 8 Seletividade dos isômeros formados na produção do lactídeo. ..................... 91
Tabela 6. 9 Pureza dos isômeros formados na produção do lactídeo em diferentes
condições de reação. ....................................................................................................... 91
Tabela 6. 10 Bandas de absorção do Lactídeo. ............................................................... 93
Tabela 6. 11 Valores de massa molar (Mn e MW) e polidispersão do polímeros obtidos
com lactídeo sintetizado. ................................................................................................. 95
Tabela 6. 12 Valores de ângulo de contato para amostras obtidas com lactídeo comercial
e sintetizado. ................................................................................................................... 96
Tabela 6. 13 Dados de citotoxicidade para o PLLA obtido com lactídeo sintetizado. ....... 97
Tabela 7. 1 Valores de Tg, Tc e Tm para os polímeros obtidos em diferentes taxas de
aquecimento. ................................................................................................................. 110
xxvi
Tabela 8. 1 Condições experimentais de reação em microrreator. ................................. 123
Tabela 8. 2 Bandas de absorção do PLLA padrão e em microrreator. ........................... 124
Tabela 8. 3 Comparação entre transições térmicas do PLLA em diferentes reações. .... 126
Tabela 8. 4 Valores de massa molar (Mn e Mw) e polidispersão dos polímeros obtidos. 126
Tabela 8. 5 Valores de ângulos de contato para os polímeros obtidos. ......................... 129
Tabela 8. 6 Dados da citotoxicidade pelo ensaio de viabilidade celular com método do
MTT para as amostras de PLLA obtidos em microrreator. ............................................. 130
xxvii
NOMENCLATURA
3PD - Impressão Tridimensional
AM – Additive Manufacturing
ATRP - Polimerização Radicalar de Transferência de Átomo
CAD - Computer Aided Design
CAE - Computer Aided Engineering
CAM - Computer Aided Manufacturing
CNT - Controle Negativo de Toxicidade
CPT - Controle Positivo de Toxicidade
DMLS - Sinterização Direta de Metal a Laser
DMSO - Dimethyl Sulphoxide
DFV - Deposição Física de Vapor
DMA - Análise Dinâmico-Mecânica
DMD - Deposição Direta de Metal
DP – Direct Polycondensation
DQV - Deposição Química de Vapor
DSC - Calorimetria Exploratória Diferencial
EBM - Fusão por Feixe de Elétrons
FDM - Modelagem por Fusão e Deposição
FTIR - Espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier
GC-MS - Cromatografia Gasosa Acoplada à Espectrometria de Massa
GC-FID - Cromatografia Gasosa com Detector de Ionização de Chama
GPC - Cromatografia de Permeação em Gel
HPMA - 2-hidroxipropil-metacrilato
MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura
PLA - Poli (ácido-láctico)
xxviii
PLLA - Poli (L-ácido láctico)
PDLA - Poli (D-ácido láctico)
PDLLA - Poli (D,L-ácido láctico)
PCL - Poli(ε-caprolactona)
PGA - Poli(ácido glicólico)
PLGA - Poli (D,L-ácido láctico-co-ácido glicólico)
PDO – Poli (p-dioxanona)
ROP – Ring Openig Polimerization
RP – Rapid Prototyping
SLA – Estereolitografia
SLS - Sinterização Seletiva a Laser
TCS - Trietil Citrato de Sódio
TMC - Trimetileno Carbonato
1
1. Introdução
A comunidade científica tem observado, nas últimas décadas, o surgimento,
crescimento e consolidação de uma nova tendência mundial: a miniaturização. O grande
interesse da comunidade científica por pesquisas nesta área deve-se, em grande parte,
às características intrínsecas dos dispositivos miniaturizados como, possibilidade de
melhor contornar dificuldades associadas com limitações à transferência de calor e
massa, portabilidade, baixo consumo de reagentes e amostras e elevada frequência
analítica, as quais reduzem consideravelmente os custos da análise e a geração de
resíduos, proporcionando um desempenho adequado às exigências da sociedade
moderna (MARTINEZ ARIAS, 2010).
Os microrreatores são definidos usualmente como sistemas miniaturizados de
reação fabricados, pelo menos parcialmente, por métodos de microtecnologia e
engenharia de precisão. Estes possuem estruturas internas extremamente pequenas (10-
1000 µm) e em algumas aplicações maiores do que estas dimensões, porém
significantemente menores do que os reatores usados em escala de produção e mesmo
de laboratório (WILMS et al., 2008, EHRFELD et al., 2000; MOREIRA & MACHADO,
2011).
Como a reação ocorre em dispositivos fechados, o perigo de um reagente ou
produto se libertar está limitado ou minimizado com relação aos sistemas de maiores
dimensões. Como a razão área de contato/volume é alta, o calor de reação dissipa-se
rapidamente e os pontos quentes são evitados. As altas taxas de transferência de calor
permitem um eficiente controle da temperatura, permitindo a condução isotérmica de
reações fortemente exotérmicas, por outro lado, as pequenas dimensões dos canais de
fluxo asseguram uma rápida e completa mistura dos reativos. Os microrreatores podem
ser combinados em paralelo para produzir as quantidades desejadas de produto
(RENKEN E KIWI-MINSKER, 2010; WILMS et al., 2008).
Os microrreatores podem ser aplicados a uma grande variedade de processos
sejam como micro-misturadores, micro-trocadores de calor, micro-separadores, para
reações em fase gasosa, líquida ou líquida/gasosa e ainda podem atuar tanto em regime
de fluxo contínuo como em batelada (EHRFELD et al., 2000). Muito têm-se reportado
sobre a obtenção de materiais poliméricos com características superiores em termos de
2
distribuição da massa molar e um menor esforço experimental (WILMS et al., 2008;
TONHAUSER & FREY, 2010; TONHAUSER et al., 2012; NATALELLO et al., 2014).
A engenharia de tecidos tem conhecido um progresso significativo no domínio da
regeneração de tecidos através da utilização de matrizes de suporte (scaffolds)
biocompatíveis e biodegradáveis que servem como suporte estrutural para acomodar e
estimular o crescimento de células e a formação de um novo tecido (SIQUEIRA, 2011).
Dentre os vários polímeros biorreabsorvíveis, destacam-se os α-hidróxiácidos,
entre eles, diferentes composições do poli (ácido láctico) (PLA). O poli (L-ácido láctico)
(PLLA), principalmente, vem sendo utilizado em aplicações médicas na construção de
dispositivos biomédicos implantáveis, tais como, parafusos, placas, válvulas, entre outros
(NAMPOOTHIRI et al., 2010, AURAS et al., 2010, MINATA et al., 2013; ESPOSITO et al.,
2012).
1.1 Justificativa e Objetivos da Pesquisa
Atualmente, o conceito de sustentabilidade vem ganhando cada vez mais espaço
e, consequentemente, os desafios de melhorar os processos produtivos através da
aplicação da ciência e tecnologia associadas ao uso de recursos renováveis.
Adicionalmente, tanto as engenharias quanto as ciências de base têm se dedicado na
integração do conhecimento para projetar e implementar soluções ambientalmente
equilibradas, com baixo impacto ambiental, visando um futuro sustentável.
Neste aspecto, o conceito de intensificação de processos tem se destacado como
uma forma viável para atender as crescentes exigências ambientais e econômicas. Neste
tipo de abordagem, além de outras formas, são utilizados equipamentos de tamanho
reduzido conhecidos como microrreatores que permitem substituir grandes plantas por
sistemas de menor tamanho e com alta eficiência.
Apesar de existirem várias maneiras de fabricar PLLA, nenhuma delas, conhecidas
atualmente, é simples ou fácil de executar. A síntese de PLLA exige rigoroso controle de
reação, uso de catalisadores de polimerização e longos tempos de reação, o que implica
em um consumo elevado de energia (CHENG et al., 2009, AURAS et al., 2010).
É nesse contexto que desenvolveu-se essa tese que tem como principal objetivo o
desenvolvimento, fabricação e avaliação de microrreator capaz de realizar a síntese de
polimerização do poli (L-ácido láctico) (PLLA) utilizado como implantes biomédicos.
Os objetivos específicos são:
3
Estudo e desenvolvimento das rotas de polimerização de PLLA em reatores
convencionais de batelada;
Avaliação das técnicas e processos de fabricação de microrreatores;
Desenvolvimento de microrreator aplicado a reações de polimerização;
Caracterização e comparação entre os produtos obtidos.
1.2 Organização da Tese
No Capítulo 2, são abordados os conceitos envolvendo os microrreatores, sua
classificação e métodos de fabricação de microcanais
No Capítulo 3, a definição sobre biomateriais, polímeros biorreabsorvíveis, as rotas
de sínteses para se obter o PLLA bem como sua aplicação como biomaterial na área
médica são apresentados.
No Capítulo 4, a metodologia para o desenvolvimento desse trabalho é
apresentada, assim como os materiais e reagente utilizados. São descritas também as
técnicas e métodos de análise utilizadas na caracterização dos produtos.
No Capítulo 5, destinado a etapa de obtenção de PLLA pela rota de
policondensação, estão apresentados a montagem experimental, os parâmetros
reacionais e os resultados obtidos por esta síntese.
No Capítulo 6, a polimerização do PLLA por abertura de anel foi estudada. Os
produtos obtidos nessa síntese foram apresentados e discutidos.
No Capítulo 7, um estudo teórico da cinética de reação do PLLA foi realizado
utilizando equipamento DSC.
No Capítulo 8, um modelo de microrreator foi desenvolvido, fabricado e utilizado
na reação de síntese do PLLA. Os resultados obtidos nessa etapa do projeto foram
comparados aos polímeros obtidos em reator convencional de batelada.
No Capítulo 9, a conclusão final da tese e sugestões para trabalhos futuros são
apresentados.
4
5
2. Micro-Fabricação
2.1 Introdução
Em diferentes ramificações da ciência é comum, e cada vez mais necessário, o
uso de dispositivos miniaturizados. O rápido desenvolvimento de sistemas miniaturizados,
nos mais diferentes campos da pesquisa, tem dominado o progresso da tecnologia
moderna.
A miniaturização de componentes e de sistemas é, claramente, uma tendência
global dos setores tecnológicos mais avançados. Nas duas últimas décadas, têm surgido
necessidades cada vez maiores de micro-componentes e de micro-estruturas dado o
constante aumento do número de aplicações técnicas como, por exemplo, nas áreas da
biomedicina, farmacêuticas, fibras ópticas, micro-electrônica, telecomunicações,
informática de consumo, indústria de automóvel entre outras (EVANS & MEHALSO,
2001).
SIMONET & VALCÁVEL (2006) afirmam que, o grande interesse da comunidade
científica por pesquisas nesta área deve-se, em grande parte, às características
intrínsecas dos dispositivos miniaturizados como portabilidade, baixo consumo de
reagentes e amostras e elevada frequência analítica, as quais reduzem
consideravelmente os custos da análise e a geração de resíduos, proporcionando um
desempenho adequado às exigências da sociedade moderna.
Da mesma forma que os microchips eletrônicos revolucionaram o universo dos
computadores e da eletrônica, os dispositivos microfluídicos têm revolucionado o campo
da química analítica e engenharia química nos últimos anos. Inicialmente, a principal
razão para a miniaturização era reduzir o tamanho dos dispositivos ao invés de aumentar
seu desempenho, mas com a mudança da escala macro para micro, outras vantagens
foram obtidas, como a redução do volume de reagentes e amostras, breves tempos de
reação, seletividade, altas conversões, condições operacionais difíceis de atingir em
processos convencionais, baixo custo de fabricação e análise em tempo reduzido
(TABELING, 2005).
A idéia de se construir um dispositivo com dimensões diminutas, capaz de efetuar
todas as operações necessárias a uma análise química foi proposta por MANZ et al.,
(1990). O primeiro desafio no desenvolvimento de um microdispositivo é criar um arranjo
6
de minúsculos canais ao longo de um substrato que permita a manipulação dos fluidos no
dispositivo. Para isto, muitas tecnologias vêm sendo desenvolvidas e aplicadas na
construção de protótipos em diversos materiais como polímero, vidro ou aço (MOREIRA &
MACHADO, 2011).
De acordo com EHRFELD et al. (2000) os termos que definem este tipo de
sistema são um pouco divergentes e dependendo das dimensões, alguns autores
preferem além de microrreator e reator microestruturado os termos nano, mili ou mini
reator. Segundo estes autores, os microrreatores são definidos como sistemas de reação
miniaturizados fabricados por meio de técnicas de microtecnologia e/ou engenharia de
precisão. Segundo o Instituto de Engenharia de Micro Processo (IMVT, 2012) quando as
dimensões dos dispositivos microestruturados são muito pequenas, a abreviação
microdispositivo pode ser utilizada. No entanto, quando tais dispositivos são equipados
com milhares de canais individuais e atingem tamanhos razoáveis o termo
microdispositivo fica confuso e então dá-se preferência ao termo dispositivo
microestruturado. De forma diferente, CAI et al., (2013) refere-se a este tipo de sistema
como reator de microcanais. Portanto, por estas definições, será utilizado no
desenvolvimento deste trabalho o termo Microrreator.
2.2 Microrreatores
Os microrreatores são definidos usualmente como sistemas miniaturizados de
reação fabricados, pelo menos parcialmente, por métodos de microtecnologia e
engenharia de precisão e possuem estruturas internas relativamente pequenas (10-1000
micrómetros) (WILMS et al., 2008, EHRFELD et al., 2000; MOREIRA & MACHADO,
2011).
É importante enfatizar que o termo microrreator não descreve implicitamente um
sistema de reação miniaturizado completamente, sua função é fornecer uma classe de
regime de fluxo peculiar que garanta um aumento forte na transferência de massa e calor
(WILMS et al., 2008). Assim, os microrreatores oscilam desde a dimensão de um cartão
de credito até o tamanho de uma caixa de sapatos (LÖWE & HESSEL, 2007)
Os microrreatores podem ser combinados em paralelo para produzir quantidades
maiores de produto (WILMS et al., 2008). O pequeno tamanho dos microrreatores, assim
como a possibilidade de ter múltiplas repetições de unidades básicas destes aparelhos
microestruturados, são aspectos característicos que oferecem vantagens fundamentais a
7
esses dispositivos. Podem ser usados em reações perigosas, fortemente exotérmicas em
que podem ocorrer pontos quentes, e em análises químicas portáteis. Como a reação
ocorre em dispositivos fechados, o perigo de um reagente ou produto se libertar está
limitado.
Vários materiais podem ser utilizados na fabricação de microrreatores, como
polímeros, vidro, silício, cerâmica e aço. A escolha do material adequado depende da
reação que vai ser realizada, das suas condições e também do método de
microfabricação utilizado (RICCHI JÚNIOR, 2013).
A tecnologia dos microrreatores apresenta um grande número de vantagens na
produção de substâncias químicas. Os altos valores de transferência de calor e massa,
possíveis em sistemas microfluídicos, permitem que reações possam ser conduzidas em
condições mais extremas e com maiores rendimentos do que em reatores convencionais.
Além disso, a possibilidade de se trabalhar em sistemas fechados permite a manipulação
de substâncias tóxicas com menor risco (JENSEN, 2001). Tais vantagens permitem o
desenvolvimento de propriedades importantes em microescala, como micromisturas,
transformações químicas em microrreatores individuais, separações, sínteses de várias
etapas e integração de métodos de análise (RICCHI JUNIOR, 2013).
2.3 Tipos de Microrreatores
Não se tem uma classificação específica para os microrreatores diferentemente
dos reatores convencionais, os quais são usualmente classificados segundo seu modo de
operação em reatores contínuos, em batelada e plug flow ou com fluxos radiais. Os
microrreatores podem operar em contínuo ou batelada, no entanto, a maioria deles opera
em contínuo; este é um dos benefícios potenciais destes microaparelhos, já que a
substituição de reatores em batelada por um processo contínuo em um microrreator pode,
devido ao rápido transporte nas superfícies finas de fluxo, resultar em uma notável
diminuição dos tempos de contato (EHRFELD et al., 2000).
Segundo EHRFELD et al., 2000, como uma alternativa de classificação e
organização da informação apresentada em sua publicação, os classificam como
microrreatores para reações em fase gasosa, fase líquida e fase gás/líquido; esta
classificação também será usada neste trabalho.
8
2.3.1 Microrreatores Aplicados em Reações em Fase Gasosa
Muitas das reações em fase gasosa são excelentes candidatas para serem
processadas em microrreatores ao cumprir os requisitos que se precisam para beneficiar-
se da miniaturização. Segundo WÖRZ et al., (2001), um reator químico deve
desempenhar três tarefas básicas: previsão do tempo de residência necessário para a
reação, eficiente remoção ou fornecimento de calor e provisão de uma interface
suficientemente ampla no caso de reações multifásicas. Para todas estas tarefas, o
microrreator oferece particulares vantagens. O primeiro e segundo aspectos são válidos
para muitas reações em fase gasosa, no caso de oxidações parciais ou totais, estas
procedem em questão de mili segundos a temperaturas elevadas (HESSEL et al., 2004).
O terceiro aspecto é cumprido já que na maioria das reações gasosas se faz uso de
catalisadores, apresentando mais de uma fase (gás/sólido). O cumprimento dessas
tarefas básicas faz das reações em fase gasosa apropriadas para microprocessamento
químico.
Diferentemente dos reatores convencionais, nos quais são usados pellets
recobertos com material catalisador em reatores de leito fixo, ou pó ativo disperso em um
reator de leito fluidizado, em um microrreator, estes conceitos não podem ser aplicados
por muitas razões; por exemplo, o empacotamento do catalisador (pó ou pellets) anularia
uma das vantagens destes aparelhos, um perfil de concentração e temperatura uniforme,
também aumentaria a queda de pressão, além disso, o fato de preencher microestruturas
com partículas em microescala dificultaria seu uso (HERNÁNDEZ, 2010).
Por estas razões, a comunidade científica tem centrado seu interesse no
desenvolvimento de técnicas para fornecer o catalisador nos microrreatores. Os
catalisadores são aplicados por impregnação de suportes de plaquetas nanoporosas,
deposição física de vapor (DFV), assim como também deposição química de vapor (DQV)
de superfícies finas catalíticas nas superfícies dos microrreatores (EHRFELD et al., 2000,
HESSEL et al., 2004).
2.3.2 Microrreatores Aplicados em Reações em Fase Gás/líquido
Contato de gases e líquidos em microrreatores é um tema pesquisado
recentemente, porém, o contato de fases imiscíveis pode aproveitar o amplo número de
9
arranjos de fluxo disponíveis para mistura de fluidos miscíveis. Assim, tem-se testado
duas chamadas de “contato de duas subcorrentes” e “injeção de muitas subcorrentes de
dois componentes”, estas produzem sistemas dispersos gás/líquido composto de bolhas
em um meio líquido. Estes sistemas dispersos são atingidos geralmente por uma
configuração de mistura em T, podendo-se apresentar regimes de escoamento como o
regime de bolhas, o segmentado, o slug e o anular (EHRFELD et al., 2000). A vantagem
do princípio de dispersão é a simplicidade do conceito, ou seja, o gasto técnico para
atingir a dispersão é mínimo (HESSEL et al., 2004).
Outro conceito desenvolvido para contato gás/liquido referente ao contato de fases
imiscíveis é o uso de filmes descendentes. Neste caso, as correntes não se combinam
gerando-se assim uma ampla interface específica para a transferência de massa,
conforme mostrado esquematicamente na Figura 2.1.
Figura 2. 1 Representação esquemática de contato de fases líquida e gasosa em uma
configuração de filme descendente (HESSEL et al., 2000).
Uma importante vantagem em se usar o conceito de “contato de duas correntes”
reside no fato de se trabalhar com superfícies de fluxo de geometria definida com
conhecimento de uma interface definida, diferentemente da maioria dos sistemas
dispersos nos quais apresentam uma distribuição de tamanho das suas bolhas ao longo
do líquido (HERNANDÉZ, 2010).
10
2.3.3 Microrreatores Aplicados em Reações em Fase Líquida
As reações em fase líquida desenvolvidas em microrreatores não são tão comuns
como as reações gasosas devido a possíveis dificuldades que podem surgir nesses
microssistemas; altas quedas de pressão a ser superadas, especialmente para líquidos
viscosos, e longos tempos de reação apresentados ao ser comparados como os
processos com reações gasosas (EHRFELD et al., 2000). Diante disso, a tecnologia da
microrreação não foi de grande interesse para a química dos polímeros até finais dos
anos 90, devido em maior parte as altas viscosidades das soluções poliméricas e da
dificuldade em se obter tecnologias e processos adequados para produção de
microrreatores (WILMS et al., 2008).
As reações de polimerização, frequentemente, distinguem-se por um
comportamento altamente exotérmico, e com a eficiente transferência de massa e calor
apresentada nos microrreatores, é evidente o grande benefício que poderia receber a
síntese de polímeros nesses sistemas (WILMS et al., 2008). Apesar das dificuldades
encontradas, a síntese orgânica em microrreatores tem atraído um interesse crescente
nos últimos anos (WILMS et al., 2008) e vários estudos recentes demonstram o potencial
interessante de microrreatores para a síntese e modificação de polímeros.
WU et al., (2004), utilizaram um microdispositivo para a polimerização radicalar
controlada do 2-hidroxipropil-metacrilato (HPMA) (Erro! Fonte de referência não
ncontrada.2.2) usando a técnica de polimerização radicalar de transferência de átomo
(siglas em inglês, ATRP). Os autores demonstraram uma notável facilidade de controle da
massa molar do polímero obtido pela simples variação das taxas de fluxo assim como a
possibilidade de obter diferentes amostras de polímeros com diferentes propriedades em
um único experimento. Eles desenvolveram assim, um método econômico e simples para
a síntese de bibliotecas de polímeros com propriedades controladas em termos de massa
molar e arquitetura.
Yoshida e colaboradores (YOSHIDA et al., 2004) usaram um microssistema
formado por dois micromisturadores (um do tipo de multilaminação e outro de dispersão-
recombinação) e um reator de microtubo para a polimerização catiônica de diferentes
vinis ésteres. Este sistema permitiu um controle da massa molar pela variação do
monômero alimentado por meio da respectiva taxa de fluxo; a distribuição da massa molar
foi mais estreita que a obtida em um reator em batelada convencional. Estudos
11
posteriores do mesmo grupo (IWASAKI et al., 2007), mostraram os mesmos benefícios
apresentados anteriormente usando um iniciador diferente para a polimerização e um
sistema de microrreação equipado com um micromisturador em T.
Figura 2. 2 Aparelho microfluídico para a ATRP do HPMA (WU et al., 2004).
Yoshida e colaboradores (YOSHIDA et al., 2004) usaram um microssistema
formado por dois micromisturadores (um do tipo de multilaminação e outro de dispersão-
recombinação) e um reator de microtubo para a polimerização catiônica de diferentes
vinis ésteres. Este sistema permitiu um controle da massa molar pela variação do
monômero alimentado por meio da respectiva taxa de fluxo; a distribuição da massa molar
foi mais estreita que a obtida em um reator em batelada convencional. Estudos
posteriores do mesmo grupo (IWASAKI et al., 2007), mostraram os mesmos benefícios
apresentados anteriormente usando um iniciador diferente para a polimerização e um
sistema de microrreação equipado com um micromisturador em T.
IWASAKI & YOSHIDA (2005) usaram um microrreator capilar equipado com um
micromisturador em T (diâmetro interior 800 m) e três seções de fluxo com diâmetros
interiores entre 250 e 500 m para a polimerização via radical livre de cinco diferentes
monômeros. Ao comparar os resultados obtidos em macroescala em um reator em
batelada e aqueles obtidos no microrreator, os autores mostraram uma significativa
melhora no controle da distribuição da massa molar para as polimerizações altamente
exotérmicas do acrilato de butila, metacrilato de metila e metacrilato de benzila. Enquanto
as polimerizações menos exotérmicas do benzoato de vinila e estireno, a melhora não foi
tão significativa como nos casos anteriores, concluindo-se assim que, quanto mais
12
exotérmica a polimerização, mais efetivo é o microrreator para controlar a distribuição da
massa molar.
No trabalho de KUNDU et al., 2011 os autores promoveram uma polimerização por
abertura de anel da ε-caprolactona. O design do microrreator permitiu realizar estas
reações heterogêneas em modo contínuo e em temperaturas elevadas. Resultados
mostraram que a utilização do microrreator promoveu uma polimerização mais rápida e de
massa molar superior em relação ao uso de reatores em batelada.
Tem-se reportado mais estudos onde o ponto em comum é a obtenção de
materiais poliméricos com características superiores em termos de distribuição da massa
molar e um menor esforço experimental (YAMAGUCHI et al., 2004; HONDA et al., 2005;
WURM et al., 2008; WILMS et al., 2008; TONHAUSER & FREY, 2010; TONHAUSER et
al., 2012; NATALELLO et al., 2014).
2.4 Métodos de Fabricação
As técnicas que podem ser utilizadas para a fabricação de microrreatores são
muitas, as quais, dependendo da aplicação, podem ser feitas em material polimérico,
cerâmico ou metálico (EHRFELD et al., 2000; HESSEL et al., 2005; KOCKMANN, 2006;
KOLB et al., 2007; WILMS et al., 2008).
Para os microrreatores confeccionados em metais, algumas técnicas podem ser
listadas:
Microusinagem Mecânica: nesta técnica o material é removido por meio de
ferramentas de corte e é um método comum na manufatura de protótipos em
pequena escala. Devido às reduzidas dimensões são necessárias estratégias
de corte visando minimizar deflexões e atingir as tolerâncias exigidas. A faixa
de materiais que podem ser aplicados a esta técnica são polímeros, metais
ferrosos e não ferrosos e alguns tipos de materiais cerâmicos (KOCKMANN,
2006).
Liga: o processo LIGA (acrônimo alemão Lithographie, Galvanoformung,
Abformung) é baseado em uma sequência combinada de técnicas como a
litografia, eletroformação e moldagem para fabricação de microestruturas com
alta precisão, alta qualidade de superfície e alta relação de proporção. Permite
13
a produção em massa de componentes para uma ampla faixa de materiais
como metais, ligas, cerâmicas e polímeros (EHRFELD et al., 2000);
Microusinagem a laser: processo aplicado em muitas indústrias, no entanto,
para geração de microestruturas de muitos micrômetros de profundidade
parece não ser uma boa opção devido ao custo. Contudo, para a fabricação
de canais na faixa de dimensões menores que 100µm, esta técnica parece ser
competitiva especialmente para aplicações em pequenas escalas (HESSEL et
al., 2005).
Corrosão química: nesta técnica é aplicada uma máscara foto resistente sobre
o material a ser trabalhado e uma solução de cloreto de ferro é utilizada com
agente de corrosão. É uma técnica industrialmente bem estabelecida,
automatizada e disponível para muitas aplicações. É muito competitiva para
produção em massa e permite que uma grande faixa de profundidade nos
canais seja produzida (100 a 600µm). Importante ressaltar que este método
cobre a faixa de tamanhos de microcanais aplicados para processamento de
gases (HESSEL et al., 2005).
Eletroerosão: a técnica de eletroerosão é adequada para materiais condutivos.
Nesta técnica o material condutivo é removido devido à alta descarga de
energia elétrica entre o eletrodo e a peça, os quais são envoltos por um fluido
dielétrico. Esta técnica permite a geração de microestruturas para geometrias
complexas independente de suas propriedades mecânicas e tem sido aplicada
com sucesso para fabricação de componentes para tecnologia de
microrreação (EHRFELD et al., 2000).
Embora a maioria de aparelhos na tecnologia de microrreação sejam
confeccionados em metais, é evidente um crescimento do uso de polímeros. Tem-se
fabricado reatores em polímeros por moldagem e técnicas de usinagem, assim como
também um microtrocador de calor por microestereoliltografia (BRANDNER et al., 2008).
A maior desvantagem destes aparelhos é a máxima temperatura que pode ser usada sem
induzir a fundição do material com o consecutivo arraste. Tal temperatura normalmente é
menor que 200°C (MILLS et al., 2007).
O uso de cerâmica e vidro como materiais de microrreatores são muito
promissores para aplicações que implicam altas temperaturas e corrosão. Embora os
materiais cerâmicos exijam maior esforço nos processos de fabricação e técnicas de
14
junção, comparado com os metais, estes têm sido aplicados satisfatoriamente em
aplicações térmicas e químicas. Quanto ao vidro, tem se desenvolvido e manufaturado
microrreatores por muitas companhias, usando técnicas como blasting, fotolitografia com
erosão química, assim como métodos mecânicos (KNITTER & DIETRICH, 2006).
A utilização da Manufatura Aditiva permite versatilidade na fabricação de
microrreatores com detalhes internos necessários para atingir objetivos particulares,
podendo ser aplicados ao controle de processos químicos. A utilização dessas técnicas
tem sido amplamente reportada (KNITTER et al., 2001, BRANDER et al., 2006; KNITTER
& DIETRICH, 2006; BRANDNER, 2013; BINELI et al., 2011; CAPEL et al., 2013).
2.5 Manufatura Aditiva
Com a evolução da tecnologia foi criada a manufatura aditiva ou, popularmente, a
impressão 3D que permite a construção de um modelo em poucos dias ou horas, a partir
da materialização de desenhos ou modelos virtuais projetados no computador, através
dos programas CAD (computer aided design), CAM (computer aided manufacturing), CAE
(computer aided engineering) e outros, com fidelidade quase absoluta. Esse processo se
caracteriza por ser um processo construtivo automático, fabricando um objeto físico,
diretamente a partir de um desenho que é, posteriormente, convertido em um arquivo STL
(formato de uma rede de triângulos) de fatiamento de sólidos virtuais. Tais métodos são
bastante peculiares, uma vez que eles agregam e ligam materiais, camada a camada, de
forma a constituir o objeto desejado, e oferecem inúmeras vantagens em muitas
aplicações, como no mercado aeronáutico, de energia e biomedicina, se comparados aos
processos de fabricação clássicos, baseados na remoção de material. (GIBSON et al.,
2010; FRAZIER, 2014; LOURAL, 2014).
O termo prototipagem rápida (RP – Rapid Prototyping), no contexto do
desenvolvimento de produto, foi extensivamente usado para descrever tecnologias que
criam produtos físicos, camada a camada, diretamente, a partir de um arquivo digital
(CAD 3D). Atualmente essas tecnologias extrapolam a prototipagem, sendo possível a
fabricação de componentes funcionais, diretamente, a partir de um arquivo digital. Diante
disso, um comitê técnico da ASTM concordou que uma nova terminologia deveria ser
adotada e chegaram ao consenso que o termo “Manufatura Aditiva” representava melhor
esses grupo de tecnologias (GIBSON et al., 2010)
15
A Manufatura Aditiva (AM – Additive Manufacturing) é definida como um grupo de
tecnologias que utiliza uma abordagem camada por camada para criar objetos com forma
livre, da base ao topo (FRAZIER, 2014). Existem vários processos de fabricação aditiva,
mas todos têm em comum uma construção camada por camada e a necessidade de uma
representação geométrica tridimensional (3D) num sistema computacional de CAD
(CHUA et al., 2010; GIBSON et al., 2010).
A tecnologia de fabricação aditiva tem raízes em técnicas de representação
tridimensional que remontam ao século XIX (BOURREL et al., 2009) como a topografia e
a fotoescultura. Mas foi somente na década de 1970 que o avanço tecnológico em outras
áreas levou ao desenvolvimento e patenteamento de processos baseados na sinterização
de pós metálicos por feixes eletrônicos, luz de lasers e plasmas (LOURAL, 2014). No
entanto, a evolução e o surgimento de novos processos, bem como de novas
possibilidades de aplicações, ainda fazem da AM uma tecnologia em plena expansão
(VOLPATO & COSTA, 2013).
2.5.1 Processos de Manufatura Aditiva
Os processos de manufatura aditiva são vários e os principais são apresentados e
discutidos a seguir.
2.5.1.1 Estereolitografia (SLA)
Consiste em um dos primeiros processos comerciais de manufatura aditiva
(GREGOLIN, 2013) e se baseia na polimerização de uma resina líquida fotocurável, que
se solidifica como resultado de irradiação eletromagnética (PALLAROLAS, 2013).
Uma resina fotocurável é depositada na câmara da máquina que possui uma
plataforma móvel de construção. Por meio de um laser, geralmente ultravioleta, essa
resina é solidificada camada por camada na geometria de construção desejada. Cada vez
que a resina é curada no plano horizontal a plataforma desce na direção vertical onde a
resina líquida preenche uma nova camada da peça que será novamente fotocurada até a
finalização da construção do modelo físico (GREGOLIN, 2013).
O processo de estereolitografia foi comercializado pela 3D Systems a partir 1988. O
equipamento de estereografia (Figura 2.3) consiste em um tanque contendo um polímero
16
fotossensível líquido, uma plataforma móvel para suporte da peça e um laser ultravioleta
que solidifica o polímero (CUSTOMPARTNET, 2008).
Figura 2. 3 Esquema do processo de estereolitografia (CUSTOMPARTNET, 2008).
2.5.1.2 Sinterização Seletiva a Laser (SLS)
A sinterização seletiva a laser é baseada na fusão de materiais particulados através
de uma fonte de calor fornecida por um feixe de laser. Uma das vantagens desse
processo é a possibilidade de utilizar diversos materiais como metais, cerâmicas e
polímeros (PALLAROLAS, 2013).
Esse sistema consiste na utilização de um laser de CO2 de média potência que
sinteriza o material em forma de pó. O material é aquecido na câmara da máquina até
uma temperatura um pouco abaixo de seu ponto de fusão. O laser guiado por um
comando numérico produz um pulso de energia que aglutina o material camada a camada
na geometria da peça desejada. A plataforma de construção abaixa na direção vertical e
um rolo espalha o pó do material formando uma nova camada nivelada que será
novamente sinterizada até a finalização da peça. Geralmente são utilizados no pó do
17
material alguns ligantes que fazem a união do processo camada a camada e em sua
geometria (VOLPATO, 2007).
O equipamento (Figura 2.4) consiste em três câmeras, sendo uma delas para
construção e as outras duas para depósito de pó com um laser em movimento para
sinterizar o composto de polímero ou metal (CUSTOMPARTNET, 2008).
Figura 2. 4 Esquema do processo de sinterização seletiva a laser (CUSTOMPARTNET, 2008).
2.5.1.3 Modelagem por Fusão e Deposição (FDM)
Nesta tecnologia tem-se a extrusão do material que é armazenado em forma de fios
em bobinas. Os cabeçotes da máquina aquecem o fio do material e os deixam na forma
pastosa para ser depositado na plataforma de construção. Quando o material é
depositado esse se solidifica e a plataforma desce na direção do eixo vertical
(GREGOLIN, 2013).
A maior vantagem da FDM está na gama de materiais e nas propriedades
mecânicas das partes resultantes feitas utilizando essa tecnologia. Peças feitas usando
FDM estão entre as mais resistentes dentre qualquer processo de fabricação aditiva à
base de polímero (PALLAROLAS, 2013).
18
O equipamento (Figura 2.5) consiste em uma plataforma com uma base de
espuma, a partir da qual será construída a peça. Os polímeros, na forma de filamentos,
são puxados pelas guias e derretidos no bico aquecido. Um dos polímeros é utilizado para
a construção da peça e o outro para a estrutura de suporte da mesma. Após o término de
uma camada, a plataforma desce para que a próxima camada possa ser construída. É um
dos processos mais utilizados, principalmente no mercado de uso pessoal
(CUSTOMPARTNET, 2008).
Figura 2. 5 Esquema do processo de modelagem por fusão e deposição
(CUSTOMPARTNET, 2008).
2.5.1.4 Sinterização Direta de Metal a Laser (DMLS)
O processo DMLS é muito similar ao SLS, mas ao invés de um laser de CO2 de
média potência, é utilizado um laser de alta potência. Nesse processo o metal é
sinterizado diretamente sem o auxílio de aglutinantes. A atmosfera da câmara de
19
construção é controlada por um gás inerte, geralmente argônio ou nitrogênio (GREGOLIN,
2013).
A tecnologia DMLS usa uma mistura de pós especialmente desenvolvida para um
equipamento específico. Essas misturas de pós funcionam de maneira eficaz com os
parâmetros de máquina bem estabelecidos para a condição do material que será utilizado
na fabricação do modelo físico (GREGOLIN, 2013).
O processo é feito camada a camada como em todos os processos de
prototipagem e um rolo espalha o pó em cada movimento vertical da câmara de
construção. Ao final, tem-se a peça que foi elaborada em desenho 3D projetado e/ou
adquirida por algum processo tecnológico como tomografias computadorizadas e
ressonâncias magnéticas (ESPERTO & OSÓRIO, 2008). A Figura 2.6 ilustra esse
processo.
Figura 2. 6 Esquema do processo de sinterização direta de metal a laser (CUSTOMPARTNET,
2008).
20
2.5.1.5 Impressão Tridimensional (3PD)
O processo de Impressão 3D possui como princípio a aglutinação de pós pela
ação de um líquido aglutinante expelido em gotículas por um cabeçote tipo “jato-de-tinta”,
muito parecido com os utilizados em impressoras 2D comuns. O jato de aglutinante
gerado pelo cabeçote é aspergido sobre uma camada de pó depositado sobre uma
plataforma que se movimenta na direção. Um rolo é utilizado para depositar novas
camadas de material e compactar uma camada sobre a outra. Existem máquinas
específicas para a fabricação de objetos como plásticos, cerâmicas e metais, além de
outras aplicações mais específicas como a fabricação de próteses biomédicas e o
encapsulamento de remédios (PALLAROLAS, 2013). A Figura 2.7 ilustra esse processo.
Figura 2. 7 Esquema do processo de impressão tridimensional (CUSTOMPARTNET, 2008).
Nos últimos vinte anos diversas inovações têm mantido a tecnologia de
manufatura aditiva em constante evolução. Dessa forma, existem diversos outros
processos de manufatura aditiva, além dos listados neste capítulo, dentre eles:
21
Fusão por feixe de elétrons (EBM) é um processo similar ao SLS, exceto pelo tipo
de laser utilizado. Nesse processo é utilizado um laser de elétron de alta voltagem
(30 a 60 KV). O processo demanda uma câmera de vácuo para evitar oxidação
(WONG & HERNANDEZ, 2013).
Deposição Direta de Metal (DMD) é um processo que utiliza um braço robótico
com um laser poderoso de CO2 que é responsável por fundir uma pequena quantidade de
pó de metal. Esse processo pode ser utilizado reparar e reconstruir peças danificadas.
Alguns modelos de equipamento demandam uma câmera com gás inerte para processar
metais ou ligas e/ou sintetizar novos materiais. (THYMIANIDS et al., 2012).
2.6 Conclusão
A microfabricação apresenta-se com futuro promissor nos dias atuais e tem sido
foco de pesquisa e de interesse na comunidade científica. Diversas são as aplicações,
métodos de fabricação e matérias que podem ser utilizados nesses microsistemas.
A manufatura aditiva apresenta-se, no mercado global, com um grande potencial
de utilização na área de manufatura de componentes de alta complexidade geométrica e
de propriedades mecânicas. Atualmente, esse processo é visto por fabricantes de
diversos setores, como aeronáutico, de energia e biomedicina como uma revolução na
fabricação de diversos componentes.
Embora sua ampla aplicação, é de grande importância analisar cuidadosamente
as condições da reação antes de ser transferida de um reator convencional para um
microrreator.
22
23
3. Biomateriais
3.1 Introdução
O uso de biomateriais como matéria-prima para as novas técnicas usadas na
biofabricação, proporcionou a condição adequada para fazer implantes de forma direta,
apresentando excelente conformidade anatômica e podendo ser concebidos
especificamente para cada paciente (MIRONOV et al., 2009; MA, 2008; MELCHELS et al.,
2010). Este tipo de implante está associado a uma microestrutura porosa tridimensional
(scaffolds) que contribui para o crescimento dos tecidos que são substituídos pelo
implante temporário o qual é degradado e reabsorvido (MELCHELS et al., 2009; BARNES
et al., 2007).
O Poli (ácido-láctico) (PLA) vem sendo um dos biopolímeros mais promissores
devido ao fato de ser produzido a partir do ácido láctico, um ácido orgânico de origem
biológica, que pode ser produzido por fermentação de açúcares obtidos a partir de
recursos renováveis como a cana-de-açúcar (CHENG et al., 2009; GUPTA et al., 2007;
AURAS et al., 2010). Este polímero tem demonstrado de forma convincente a sua
possível utilização como polímero bioabsorvível para dispositivos de fixação, placas e
parafusos reabsorvíveis, e como dispositivos de liberação controlada de drogas (KNESER
et al., 2006; FREIRE et al., 2010; NAMPOOTHIRI et al., 2010).
3.2 Biomateriais
A definição adotada em 1982 na Conferência do Instituto Nacional de
Desenvolvimento de Consenso (Consensus Development Conference) é a de que
biomaterial é qualquer substância ou combinação de substâncias, que não drogas, de
natureza natural ou sintética, que pode ser usado por qualquer período de tempo, como
um todo ou parte do sistema, para aumentar ou substituir qualquer tecido, órgão ou
função do corpo (BERNATAVICIUS, 2008).
Até onde alcançam as considerações da engenharia, existe uma quantidade de
materiais que pode ser utilizada para desenvolver e/ou fabricar um dispositivo implantável.
Mas, os requisitos médicos são mais constringentes, porque o dispositivo implantável,
enquanto restaura a função comprometida, deve também garantir que não exerça a longo
24
ou médio prazo, qualquer distúrbio ao corpo do paciente. Portanto, a escolha do material
é crítica. Obter a biocompatibilidade representa uma tarefa interdisciplinar, que envolve
pesquisadores de várias áreas (SIQUEIRA, 2011).
Vários são os critérios que um material precisa atender para ser enquadrado
como um biomaterial. Isto significa que, no sentido mais amplo, são enquadrados nesta
categoria todos os materiais empregados na medicina, odontologia, medicina veterinária e
farmacologia, além daqueles que entram na forma de implantes em contato direto com o
tecido do corpo (JAHNO, 2005). Uma definição prática é dada por PARK (1979), segundo
o qual “biomateriais são tudo que, de modo contínuo ou intermitente, entra em contato
com fluidos corpóreos, mesmo que esteja localizado fora do corpo”.
Dentre os biomateriais, os mais usados são os metálicos, cerâmicos e poliméricos.
Os dispositivos metálicos, que são mais rígidos do que o osso são frequentemente
usados na fixação interna de fraturas. As vantagens deste tipo de implante são
basicamente: um curto período de recuperação e exata reposição do osso fraturado
(PISTNER et al., 1992). Entretanto suas desvantagens são inúmeras: possível stress do
osso e relativa perda de massa óssea, devido à ausência de um funcionamento normal de
carga no local do implante; reações alérgicas contra os diferentes componentes do metal;
problemas de corrosão; sensibilização ao uso de equipamentos de Raios-X; e em casos
de dispositivos temporários existe, muitas vezes, a necessidade de uma segunda cirurgia
para a remoção do implante, o que representa, sem dúvida, um incômodo ao paciente e
encarecimento do seu tratamento (BERNATAVICIUS, 2008). Estas limitações ou
restrições expostas acima praticamente deixam de existir quando se refere aos implantes
de polímeros biorreabsorvíveis, que são implantes que cumprem somente uma função
temporária no corpo, sendo que depois do tecido ou órgão ter sido regenerado, eles
degradam na forma de compostos atóxicos, que por sua vez são eliminados pelo
organismo através de uma absorção ou excreção.
Os biomateriais devem ser isentos de produzir qualquer resposta biológica
adversa local ou sistêmica, ou seja: o material deve ser não-tóxico, não-carcinogênico,
não-antigênico e não-mutagênico. Em aplicações sangüíneas, eles devem também ser
não-trombogênicos (JAHNO, 2005).
Os polímeros compõem uma classe bastante ampla de biomateriais, e na área
biomédica, existem várias pesquisas sendo desenvolvidas para o uso de materiais
poliméricos. Esses biomateriais devem ser biocompatíveis e apresentarem propriedades
mecânicas adequadas para que se possa implantar no corpo humano.
25
3.3 Polímeros Biorreabsorvíveis
Polímeros biorreabsorvíveis podem ser definidos como materiais ou dispositivos
que, uma vez implantados no corpo, apresentam a característica de degradarem com o
passar do tempo, em produtos atóxicos que são, por sua vez, eliminados do organismo
via rotas naturais e, idealmente, não deixam traços de sua presença após terem sua
absorção completa (CICCONE et al., 2001).
Quando a estrutura biológica de um órgão ou tecido não pode ser reparada, a
alternativa viável para o restabelecimento das funções normais do paciente é repô-la com
um implante feito de um biomaterial. Em função do tempo de permanência no corpo
humano, os implantes podem ser classificados em dois grandes grupos, permanentes ou
temporários. Implantes permanentes quase sempre geram fenômenos crônicos de
inflamação, sendo uma resposta tipicamente benigna a um corpo estranho, mas que
podem conduzir a complicações clínicas mais severas, como a contração dos tecidos.
Dentre os materiais utilizados como implantes, os polímeros apresentam grande potencial
de uso, pois são, geralmente, fáceis de produzir, manusear e apresentam características
mecânicas semelhantes aos dos materiais biológicos (BARBANTI et al., 2005).
Desde a década de 1960, implantes temporários, confeccionados de polímeros
biorreabsorvíveis, ganharam uma importância crescente na área médica, sendo utilizados
em um amplo número de aplicações no corpo humano, tais como: suturas cirúrgicas,
sistemas para liberação controlada de drogas, stents e dispositivos ortopédicos.
Atualmente fazem parte do cotidiano dos centros cirúrgicos no mundo inteiro. Embora
muitos dispositivos protéticos artificiais estejam disponíveis, poucos podem substituir
completamente todas as complexas funções biológicas. Em situações clínicas mais
severas somente o transplante do órgão retoma as atividades orgânicas. Assim, de uma
forma idealizada, a melhor alternativa seria obter um novo órgão ou tecido, substituindo
aquele que não desempenha normalmente suas funções. Nos dias de hoje, a idéia da
reconstrução de órgãos e tecidos criados em laboratório é amplamente difundida e
investigada no mundo todo (LASPRILLA, 2011).
Em 1960 começaram as primeiras suturas biodegradáveis aprovadas na indústria
médica formadas de ácido láctico e ácido glicólico (GILDING & REED, 1979). Desde
aquele tempo, outros dispositivos médicos baseados em ácido láctico e ácido glicólico,
como também outros materiais, inclusive copolímeros de poli (dioxanona) e poli
26
(trimetileno carbonato), e homopolímeros e copolímeros da poli (ε-caprolactona), foram
aceitos para o uso como dispositivos biomédicos (BARBANTI et al., 2005).
Devem ser cumpridas algumas condições para que um polímero seja usado em
aplicações biomédicas. Uma exigência primária é a biocompatibilidade que significa
ausência de toxicidade. Biodegradação é uma vantagem adicional quando o polímero
deve ser removido depois de um período apropriado de implantação em um organismo
vivo: neste caso, poli (ε-caprolactona), poli (glicolide) e poli(lactide) são de grande
interesse, pois são hidroliticamente instáveis e degradam in vitro, como também in vivo
com lançamento de subprodutos atóxicos. Estes poliésteres alifáticos têm um grande
alcance de biodegradação. A meia-vida deles pode variar de vários dias a vários anos e
pode ser modulada pela copolimerização de monômeros relacionados em várias razões
molares. Polímeros e copolímeros de ε-caprolactona, glicolides e lactides são usados na
medicina em suturas biodegradáveis, órgão artificial e próteses reabsorvíveis (DUBOIS et
al., 1991).
De maneira geral, o critério na seleção de um polímero para uso como biomaterial
envolve dois fatores: as propriedades mecânicas e o tempo de degradação em função
das necessidades da aplicação (MIDDLETON & TIPTON, 2000). Um polímero ideal para
uso como biomaterial deve apresentar as seguintes características:
não provocar respostas tóxicas/inflamatórias no tecido no qual foi implantado;
ser metabolizado pelo organismo após ter cumprido sua proposta de recuperação,
sem deixar traços;
ser facilmente processado na forma de um produto final;
ser facilmente esterilizável.
A principal atração pelos dispositivos biorreabsorvíveis, especialmente aos
cirurgiões, é a forma de degradação desses materiais que ocorre de maneira gradual,
possibilitando que o osso, por exemplo, em recuperação, receba carga do implante de
forma segura em sintonia com a perda de propriedade mecânica que o processo de
degradação acarreta no dispositivo. Dessa forma, aquela idéia, que talvez fosse à base
da popularidade dos implantes metálicos, de que quanto mais resistente o implante
melhor e mais seguro, esbarra nesse conceito mais recente, já que um material que se
mostra muito mais forte que o osso, como é o caso do metálico, pode acarretar atrofia
óssea, num efeito chamado stress shielding, que é o enfraquecimento do osso em
recuperação em decorrência da elevada rigidez inerente ao dispositivo metálico
(MIDDLETON & TIPTON, 2000; ASHAMMAKI et al., 2001).
27
Ter um dispositivo que possa ser usado como um implante e que não necessite de
um segundo evento cirúrgico para remoção é um dos grandes motivos de se utilizar um
biopolímero. Outras vantagens, por exemplo, um osso fraturado, fixado com materiais não
biodegradáveis, implante de aço imaculado, tem uma tendência para refratura em
remoção do implante. O osso não leva carga suficiente durante o processo curativo,
porque a carga é levada pelo aço imaculado rígido. Porém, um implante preparado de
polímero biodegradável pode ser criado para degradar a uma taxa que transferirá
lentamente a carga ao osso curativo (ATHANASIOU et al., 1998).
Nesse contexto, torna-se de fácil entendimento o grande interesse que os
polímeros biorreabsorvíveis têm despertado na classe médica. Todavia, o emprego dos
dispositivos biorreabsorvíveis em medicina requer um cuidado todo especial, sendo que o
material a ser usado como biomaterial deve cumprir todos os requisitos relacionados à
biocompatibilidade, como por exemplo, isenção de toxicidade, propriedades mecânicas e
tempo de degradação compatíveis com a função que desempenham. De maneira geral,
são necessárias as seguintes propriedades físicas para implantes biorreabsorvíveis serem
considerados adequados: alta resistência inicial, de forma que o procedimento cirúrgico a
que esses dispositivos serão submetidos durante a fixação de fratura não afete a
estabilidade dimensional destes; módulo de elasticidade inicial apropriado; e lenta queda
da resistência e do módulo quando in vivo (TORMALA et al., 1998).
Os fatores que afetam o desempenho dos polímeros biorreabsorvíveis são aqueles
já bem conhecidos no ambiente científico, tais como: seleção do monômero, seleção do
iniciador, condições do processo e a presença de aditivos (MIDDLETON & TIPTON,
2000). Estes fatores, por sua vez, influenciam a hidrofilicidade do polímero, a
cristalinidade, a temperatura de transição vítrea, a temperatura de fusão, massa molar,
grupos finais, seqüência de distribuição e a presença de resíduos de monômeros ou
aditivos (ODIAN, 1981).
Atualmente, existe um grupo promissor de polímeros biorreabsorvíveis que podem
ser utilizados na área médica. Esse grupo são os poli (α-hidróxi ácidos), como mostra a
Tabela 3.1. Os principais polímeros desse grupo são: o poli(ácido láctico) (PLA), a poli(ε-
caprolactona) (PCL), o poli(ácido glicólico) (PGA) e a poli(p-dioxanona) (PDO)
(NAMPOOTHIRI et al., 2010).
28
Tabela 3. 1 Poli (α-hidróxi ácidos) (JAHNO, 2005).
Polímero Sigla Tg (°C) Tm (°C)
Módulo de
elasticidade
(GPA)
Tempo de
degradação
(meses)
Poli (ácido glicólico) PGA 35-40 225-230 8,4 6-12
Poli (L-ácido láctico) PLLA 60-65 173-178 2,7 ˃24
Poli (D,L-ácido láctico) PDLLA 55-60 amorfo 1,9 12-16
Poli (D,L-ácido láctico-
co-ácido glicólico) PLGA 45-50 amorfo 2,0 1-2
Poli (caprolactona) PCL
(-65) -
(60)
58-63 0,4 24-36
A característica marcante desses polímeros reside no seu modo de degradação,
que ocorre por meio de um simples processo de hidrólise das ligações ésteres presentes
nas cadeias desses materiais, resultando em produtos totalmente atóxicos que são
reabsorvidos pelo organismo fazendo parte do metabolismo de carboidratos, tendo sua
eliminação finalizada na forma de CO2 e H2O ou mesmo via urina (HUANG et al., 2004).
Os polímeros bioabsorvíveis têm sido identificados como materiais alternativos
para várias aplicações biomédicas. Devido à sua excelente biocompatibilidade e
propriedades mecânicas, o PLA e seus copolímeros estão se tornando os mais
comumente utilizados na engenharia tecidual para restaurar e reconstruir a função dos
tecidos prejudicados (SÖDERGARD & STOL, 2002; FREED et al., 2009; NAMPOOTHIRI
et al., 2010; Auras et al., 2010)
3.4 Poli (ácido láctico)
O Poli (ácido láctico) (PLA) possui amplas aplicações não somente como plástico
biodegradável, mas também como material biomédico por causa de suas excelentes
propriedades mecânicas e por ser altamente hidrolisável no corpo humano. Por estas
razões, vem sendo usado desde 1970 para aplicações biomédicas e farmacêuticas tais
como suturas e dispositivos de liberação controlada de drogas (MOON et al., 2001;
AURAS, et al., 2010; DRUMRIGHT et al., 2000, NAMPOOTHIRI, 2010).
29
O PLA possui dois estereoisômeros: poli (L-ácido láctico) (PLLA) e o poli (D-ácido
láctico) (PDLA) (Figura 3.1); sua mistura racêmica gera o poli (D, L-ácido láctico) (PDLLA)
(VERT et al., 1992). O PDLA e PLLA (levógiro e dextrógiro) são imagens especulares um
do outro, ambos opticamente puros e semicristalinos (AURAS et al., 2003). O PDLLA é
racêmico, amorfo e opticamente um polímero inativo (TSUJI & IKADA, 1997). A célula
unitária do PLLA é pseudo-ortorrômbicas assumindo uma conformação helicoidal (TSUJI
& HYON, 1991). A configuração L do PLA (PLLA) é a ocorrência mais natural do isômero.
Figura 3. 1 Estruturas espaciais dos estereoisômeros do ácido láctico.
O nome do polímero pode ser baseado em sua origem, dessa forma quando se
parte de um monômero de ácido láctico o polímero é denominado poli (ácido láctico),
enquanto que se o monômero de partida for o lactide, o polímero obtido na síntese será
chamado de poli (lactide). O poli (L-ácido láctico) e o poli (L-lactide) apresentam a mesma
fórmula estrutural e estes dois nomes distintos se referem exclusivamente ao monômero
de partida usado na síntese, e podem ser abreviados pela sigla PLLA. Os
estereoisômeros do lactídeo e o mecanismo de formação são mostrados na Figura 3.2
(JAHNO, 2005).
30
Figura 3. 2 Mecanismos de formação do lactídeo e seus isômeros (JAHNO, 2005).
A primeira síntese do PLA foi realizada em 1932 por Carothers (HOLTEN, 1971),
quando o pesquisador obteve o material com baixa massa molar e, portanto, com
propriedades mecânicas deficientes. Posteriormente, a companhia DuPont conseguiu
obter o polímero com alta massa molar, patenteando-o em 1954. As atividades de
pesquisas com o PLA foram interrompidas por alguns anos, a partir de 1954, em
decorrência da suscetibilidade do polímero a degradação hidrolítica. A atenção foi voltada
novamente ao material somente em 1972, quando a Ethicon introduziu no mercado
suturas biorreabsorvíveis, explorando justamente a interessante característica do material,
que é a sua degradabilidade em contato com água. O custo da produção do polímero
restringiu sua aplicação fora dessa área até meados dos anos 80 (LUNT, 1998).
O PLLA mostra uma boa resistência mecânica, plasticidade térmica (Figura 3.3),
processabilidade e pode sofrer rompimento da cadeia no corpo humano resultando em
oligômeros e finalmente unidades monoméricas de ácido láctico, que são inteiramente
reabsorvíveis como um intermediário natural no metabolismo, em particular o L-isômero
que é um metabólico biológico do corpo humano (PROIKAKIS et al., 2002).
31
Figura 3. 3 Membrana de PLLA (PROIKAKIS et al., 2002).
3.5 Síntese do Poli (Ácido-Láctico)
Os métodos mais comuns de se obter o PLLA são: a) policondensação direta do
ácido láctico e b) polimerização por abertura do anel láctico, que é o dímero cíclico do
ácido láctico, conhecido como lactídeo (HILTUNEN et al., 1997; HYON et al., 1997;
PROIKAKIS et al., 2002 AURAS et al., 2010; NAMPOOTHIRI, 2010).
a) Polimerização por policondensação direta do ácido láctico
A existência de ambos os grupos hidroxil e carboxil na molécula do ácido láctico
torna possível a sua conversão a poliéster por uma simples reação de policondensação,
que é uma reação considerada de baixo custo (SÖDERGÅRD & STOLT 2002;
KRICHELDORF, 2001; AURAS et al., 2010).
A polimerização direta do ácido láctico resulta em um polímero de baixa massa
molar e pode ser aplicado para a preparação de dispositivos de liberação controlada de
drogas, fio de sutura ou como cartilagem. (DRUMRIGHT et al., 2000; LUNT 1998,
BENDIX, 1998, JAHNO, 2005; LASPRILLA 2011). A Figura 3.4 ilustra a reação de
policondensação do acido láctico.
Figura 3. 4 Representação da equação de policondensação do ácido láctico.
32
b) Polimerização por abertura do anel láctico (ROP)
O caminho mais comum para se obter poli (ácido láctico) de alta massa molar é
por meio da polimerização por abertura do anel do dímero cíclico do ácido láctico, lactídeo
(JACOBSEN et al., 1999, KRICHELDORF et al., 1995 e KRICHELDORF et al., 2001).
Durante a polimerização por abertura do anel de lactídeo, cada molécula de lactide
é aberta formando um dímero do ácido láctico, que se ligará a outro e assim
sucessivamente, proporcionando o crescimento da cadeia do polímero, como mostra a
Figura 3.5 (GRANGER et al., 1983).
Figura 3. 5 Representação da abertura do anel do dímero cíclico do ácido láctico. (CHABOT
et al., 1983).
A reação de polimerização por abertura de anel do lactídeo pode ser conduzida no
estado fundido ou em solução, sendo necessário o uso de um composto para iniciar o
processo. Dependendo do iniciador, a reação pode seguir três diferentes mecanismos de
reação: mecanismo catiônico, aniônico e de complexação seguido por inserção. Os
catalisadores mais utilizados são os de complexação, tais como, compostos de alumínio,
bismuto, zinco e estanho (QUEIROZ, 2000).
A rota de polimerização de PLA necessita da presença de um catalisador. Vários
compostos, principalmente óxidos e sais metálicos, vem sendo investigados para uso
como catalisadores. Entretanto, somente dois sais de estanho têm sido empregados na
produção de biopolímeros para uso biomédico, cloreto de estanho II e o 2-etilhexanoato
de estanho II, mais conhecido como Sn(oct)2. Ambos sais de estanho são aprovados para
serem usados como aditivos alimentares pelo FDA (US Food and Drug Administration)
(KRICHELDORF et al., 1995; MOTTA, 2002), mas o maior destaque vem sendo dado ao
Sn(Oct)2, devido a três fatores principais:
33
*Alta eficiência do catalisador, o que permite quase uma conversão completa da
relação monômero/catalisador, podendo apresentar uma razão da ordem 104:1
(NIJENHUIS, 1992 e DRUMRIGHT et al., 2000);
*Baixo risco de racemização quando se emprega o Sn(Oct)2, sendo possível obter
poli (L- lactide) com uma pureza óptica de até 99%, quando a síntese é realizada em
temperaturas de até 150 °C, por poucas horas (KRICHELDORF et al., 1995);
*Além destes fatores, o Sn (Oct)2, como já mencionado anteriormente, é
empregado como aditivo alimentar em vários países , o que significa que sua toxicidade é
extremamente baixa, quando comparado a outros sais de metal pesado (KRICHELDORF
et al., 1995);
Em 1966, KULKARNI et al., aplicou o poli (L-lactide) (PLLA) em placas e parafusos
para a fixação de ossos fraturados. Desde então, um grande número de investigações foi
conduzido com PLLA, com PDLLA e com copolímeros do lactide para aplicações
cirúrgicas e farmacêuticas na forma de haste, de placa, de parafuso, de fibra, de
membrana, de esponja, de grânulo e de microesferas. Quando PLLA é usado em cirurgias
ortopédicas e como dispositivos de fixação orais, um PLLA de alta massa molar é
necessário para produzir dispositivos de elevada resistência mecânica. E ao contrário, tais
massas molares altas não são necessárias para o poli (lactides) (PLA) quando são
usados como carregadores de liberação controlada de drogas. Em tais aplicações
farmacêuticas, os copolímeros de lactide de baixas massas molares são preferidos
geralmente porque são degradados no corpo mais rapidamente do que PLLA de alta
massa molar (HYON et al., 1997). Existem polímeros disponíveis para comercialização na
escala Mw de 2.000 a 300.000 g/mol, sendo os polímeros de massas molares baixas
utilizados para matrizes de liberação controlada de drogas, e de massas molares
elevadas são utilizados para a osteosíntese (pinos para o reparo de osso) (JAHNO,
2005).
As propriedades do PLA, tais como o ponto de fusão, a resistência mecânica, e
cristalinidade, são determinadas pela estrutura do polímero (determinada por proporções
diferentes de L, de D, ou de meso-lactide) e pela massa molar (AURAS et al., 2010). A
busca por elevados valores de massa molar está baseada no fato de que este é um dos
parâmetros que tem influência direta na qualidade dos dispositivos poliméricos
produzidos, no sentido de que valores maiores de massa molar produzirão dispositivos
com melhores propriedades mecânicas (GOGOLEWSKI et al., 2000).
34
Muitos fatores determinam a resposta inflamatória e a taxa de degradação dos
polímeros biorreabsorvíveis, entre eles: local de implante, solicitação mecânica, massa
molar, distribuição da massa molar, composição química/esterioisométrica, cristalinidade,
morfologia, envolvendo o tamanho e geometria do suporte desenvolvido, porosidade,
rugosidade da superfície, energia livre de superfície, carga da superfície, pH, presença de
aditivos e outros (BARBANTI et al., 2005).
No caso do poli (acido láctico) e de outros polímeros similares, a degradação
ocorre por hidrólise, promovendo a quebra das cadeias poliméricas até o estágio em que
possam sofrer ataques enzimáticos e entrarem no ciclo metabólico. A hidrólise promove
inicialmente a queda da massa molar, principalmente nas regiões amorfas. Conforme a
água difunde-se no artefato e o fragmenta, ocorre a queda da resistência mecânica e
posterior redução da massa devido a hidrolise e ao ataque enzimático (MIDDLETON &
TIPTON, 2000).
As características de biorreabsorção, propriedades mecânicas e
biocompatibilidade dos polímeros absorvíveis, principalmente do PLLA, os tem colocado
como fortes candidatos para substituição dos dispositivos metálicos, pois torna uma
segunda cirurgia para remoção dos mesmos após a recuperação do osso, desnecessária.
Isso diminui custos hospitalares, riscos de complicações cirúrgicas e o tempo de
recuperação do paciente. A Figura 3.6 apresenta exemplos de alguns produtos obtidos
usando PLLA (JAHNO, 2005).
Figura 3. 6 Parafusos, pinos e placas de PLLA (JAHNO, 2005).
HU J. et al., (2010) estudaram o efeito scaffolds de nanofibras de poli-L-lactide no
controle fenótipo de células musculares lisas aórticas. Um scaffold tubular de poli-L-lactide
35
para regeneração de veias sanguíneas foi fabricado e estudos de semeadura de células
mostraram distribuição das células em todo o scaffold.
FENG et al., (2010) desenvolveram um scaffold poroso tri-dimensional com a
habilidade de liberar antibióticos de forma controlada para uma inibição em longo prazo
do crescimento de bactérias. Com essa nova aplicação é possível alcançar alta
bioatividade local e baixos efeitos colaterais sistêmicos dos antibióticos no tratamento de
infecções dentárias, periodontal e ósseas. A droga antibiótica Doxiciclina altamente
solúvel foi incorporada em nanoesferas de poli (ácido láctico-co-glicólico) e as
nanoesferas foram posteriormente incorporadas em scaffolds de nanofibras de poli(L-
ácido láctico) com uma estrutura macro-porosa interconectada.
CHERUTTI (2012) utilizou o poli (L-ácido láctico) (PLLA), com adição de um
plastificante, o trietil citrato de sódio (TCS) com o objetivo de desenvolver um dispositivo
bifásico para aplicação na Engenharia Tecidual e Medicina Regenerativa. Os resultados
comprovaram a interação suporte-célula, principalmente devido a sua porosidade e
afinidade celular apresentadas pela composição estrutural da matriz dérmica.
ESPOSITO (2012) desenvolveu arcabouços tridimensionais porosos de PDLA na
presença de trimetileno carbonato (TMC) utilizando técnicas de prototipagem rápida. O
PLA e seus coopolímeros vêm sendo cada vez mais investigados devido a sua ampla
aplicação e métodos de fabricação de poros tridimensionais.
MINATA, 2013 utilizou PLLA na presença e poli(ε-caprolactone) (PCL-triol) com o
objetivo de modificar propriedades de degradação. Os resultados mostraram que as
membranas de PLLA contendo PCL-triol apresentaram resistência ao processo de
degradação, característica que pode ser vantajosa em casos onde o material deva
permanecer no organismo por um longo período, como por exemplo, em aplicações nas
áreas de ortopedia, de modo geral.
3.6 Conclusão
Biomateriais poliméricos são desenvolvidos para uso como substitutos de tecidos
danificados e/ou para estimular sua regeneração. Uma classe de biomateriais poliméricos
são os biorreabsorvíveis, compostos que se decompõem tanto in vitro quanto in vivo. São
empregados em tecidos que necessitam de um suporte temporário para sua
recomposição tecidual.
36
Dentre os vários polímeros biorreabsorvíveis, destacam-se o PLA devido à sua
excelente biocompatibilidade e propriedades mecânicas o que os torna os mais
comumente utilizados na engenharia tecidual para restaurar e reconstruir a função dos
tecidos prejudicados
A diversificação de aplicações do PLA está relacionada ao fato de que simples
modificações em sua estrutura físico-química podem torná-lo útil em diferentes áreas.
Dependendo da sua aplicação e seu destino final, é possível obter diferentes produtos
utilizando rotas de polimerizações específicas.
37
4. Materiais e Métodos
4.1 Introdução
Os polímeros à base de ácido láctico são uma das categorias mais promissoras de
polímeros obtidos de fontes renováveis (ACHMAD et al., 2009; NAMPOOTHIRI et al.,
2010). Entre as diversas rotas de obtenção do PLLA, as mais utilizadas atualmente são a
policondensação direta do ácido livre (em inglês, DP – Direct Polycondensation) e a
polimerização por abertura do anel do dímero cíclico do ácido (lactídeo) (em inglês, ROP
– Ring Openig Polimerization). Neste trabalho, essas duas rotas de síntese foram
estudadas visando a obtenção de PLLA para aplicação como biomaterial e recolher
informações para, posteriormente, desenvolver e fabricar um microrreator capaz de
realizar o processo de polimerização desse biomaterial.
Neste capítulo, são apresentadas a metodologia para o desenvolvimento desse
trabalho, materiais e reagentes utilizados nas sínteses e caracterização dos polímeros
obtidos. Também serão descritas as técnicas e metodologias utilizadas na caracterização
dos produtos.
4.2 Metodologia Experimental
Na Figura 4.1 é apresentado o diagrama de blocos que resume a metodologia
utilizada na realização da tese.
38
Estudos dos processos de
síntese do PLLA
Determinação das condições experimentais
Caracterização dos produtos
Dimerização cíclica:
Obtenção do Lactídeo
Polimerização por abertura
de anel
Caracterização dos produtos
Polimerização por
policondensação direta
Caracterização dos produtos
Polimerização em
microrreator
Figura 4. 1 Diagrama de blocos das atividades realizadas.
Inicialmente, foi realizada uma revisão da literatura na área de desenvolvimento de
biomateriais e um profundo estudo da química, propriedades e obtenção do PLLA. Isso
permitiu o entendimento e particularidades da síntese deste biopolímero e a importância
do desenvolvimento deste tipo de material.
Dando continuidade, realizou-se um estudo teórico das rotas de polimerização do
PLLA. As duas principais rotas foram escolhidas para sintetizá-lo: a policondensação
direta e a abertura de anel. Um microrreator foi desenvolvido e fabricado para realizar a
polimerização do PLLA e todos os produtos obtidos foram caracterizados.
39
4.3 Equipamentos e Materiais Utilizados
No desenvolvimento deste trabalho foram utilizados os seguintes materiais e
equipamentos:
- Manta de Aquecimento marca Fisatom, Classe 300 - Modelo 52, utilizada em
conjunto com um Regulador de Temperatura PID automático da Contemp, modelo TCM99
com sensor J;
- Bomba de vácuo marca Tecnal, Modelo TE-0581, Compressor 1/4 HP com pistão
revestido em teflon, isento de óleo.
- Agitador Mecânico marca Fisatom, mod. 713, especial para polímeros, com haste
com hélice basculante modelo 200.410;
- Banho Ultratermostático marca Cienlab de 30 litros;
Os reagentes utilizados nas sínteses dos polímeros de PLLA encontram-se
listados na Tabela 4.1.
Tabela 4. 1 Reagentes utilizados na síntese do PLLA.
Produto Fornecedor MM (g/mol) Pureza/Característica
L-ácido láctico SYNTH 90 85%
2-etilhexanoato de
Sn(II) Sn(Oct)2 SIGMA/ALDRICH 405,11 d=1,251
Óxido de Estanho
(SnO) SIGMA 134,69 6,45
Lactídeo C6H8O4 PURAC 104 -
Clorofórmio SYNTH 119,38 99,8%
Álcool etílico SYNTH 46,07 99,5%
Tetrahidrofurano
(THF) VETEC 72,11 Grau analítico
40
4.4 Técnicas de Caracterização dos Produtos
Os polímeros sintetizados foram caracterizados por diferentes técnicas para
avaliar a composição, propriedades térmicas e estrutura do material. A seguir serão
apresentadas informações sobre as técnicas de caracterização e o método utilizado no
desenvolvimento destas análises.
4.4.1 Espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)
Essa análise foi realizada para determinar os grupos funcionais dos produtos
obtidos. As amostras foram analisadas pelo modo ATR com o acessório SMART OMNI-
SAMPLER em um espectrômetro infravermelho de transformada de Fourier Thermo
Scientific Nicolet 6700. Os espectros foram analisados no intervalo de infravermelho
médio de 4000 a 675 cm-1, obtidos a partir das intensidades de absorção das bandas das
moléculas expressas em valores de transmitância.
As análises foram realizadas no Laboratório de Recursos Analíticos e de
Calibração (LRAC) da Faculdade de Engenharia Química (FEQ/UNICAMP).
4.4.2 Cromatografia Gasosa Acoplada à Espectrometria de Massa (GC-MS)
Através dessa técnica foi possível analisar os isômeros contidos no lactídeo
produzido. Para a análise por GC-MS foi utilizado um cromatógrafo, acoplado a um
espectrômetro de massas Agilent 7890/5975C; coluna de Polietileno glicol (30 μm x 250
μm x 0,25 μm) com um injetor split/splitless (Temperatura – 250 ºC, Pressão – 16,0 psi,
Split – 40:1), e seletor de massas com ionização por impacto de elétrons, quadrupolo e
detecção por célula eletromultiplicadora; hélio de alta pureza foi empregado como gás de
arraste.
As análises foram realizadas no LOPCA/LDPS (Laboratório de Otimização, Projeto
e Controle Avançado/Laboratório Desenvolvimento de Processos de Separação) da
Faculdade de Engenharia Química (FEQ/UNICAMP).
41
4.4.3 Cromatografia Gasosa com Detector de Ionização de Chama (GC-FID)
Como complemento da técnica de GC-MS, essa análise permitiu determinar a
porcentagem e a seletividade dos isômeros do lactídeo produzido. Para as análises foram
utilizados um cromatógrafo gasoso (Agilent 6850), com um injetor split/splitless e detector
de ionização de chama. A amostra foi dissolvida em acetato de etila e 1 μL da solução foi
analisada com uma programação de temperatura de 150 °C por 6 min; 250 °C à 10
°C.min-1, por 2,0 min.
As análises foram realizadas no LOPCA/LDPS (Laboratório de Otimização, Projeto
e Controle Avançado/Laboratório Desenvolvimento de Processos de Separação) da
Faculdade de Engenharia Química (FEQ/UNICAMP).
4.4.4 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
Os polímeros obtidos foram analisados pela técnica de DSC para determinação
das transições térmicas. As medidas de DSC foram realizadas em um equipamento
METTLER TOLEDO DSC modelo 823e através de dois aquecimentos no intervalo de
varredura de 25 a 250 °C, com taxa de aquecimento de 10 °C/min, e um resfriamento até
0 °C, com taxa de 10 °C/min, sob atmosfera de nitrogênio. Foram avaliados os valores da
temperatura de transição vítrea (Tg), cristalização (Tc) e temperatura de fusão (Tm). Para
determinação da temperatura de degradação dos polímeros fez-se uma varredura de 25 a
450 °C com taxa de aquecimento de 10 °C/min. Amostras com massas entre 5 e 10mg
foram colocadas em cadinhos de alumínio selados. Essa técnica foi utilizada também para
o estudo preliminar da cinética de reação do PLLA.
As análises foram realizadas no LOPCA/LDPS (Laboratório de Otimização, Projeto
e Controle Avançado/Laboratório Desenvolvimento de Processos de Separação) da
Faculdade de Engenharia Química (FEQ/UNICAMP).
4.4.5 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Com essa técnica foi possível analisar a superfície e fratura dos polímeros obtidos.
Fragmentos da superfície e fratura dos polímeros foram fixados em um suporte metálico e
recobertos com uma fina camada de ouro, utilizando-se um metalizador de amostras
Sputter Coater POLARON, modelo SC7620 da VG Microtech (Uckfield, Inglaterra). Para
42
obtenção das micrografias e a microanálise elementar, as amostras recobertas foram
analisadas em um Microscópio Eletrônico de Varredura com Detector de Energia
Dispersiva de Raios X (Modelo MEV: Leo 440i e Modelo EDS: 6070) da marca MEV/EDS:
LEO Electron Microscopy/Oxford (Cambridge, Inglaterra), sob tensão de aceleração igual
a 20 kV e corrente do feixe igual a 100 pA, para obtenção das micrografias, e 600 pA,
para obtenção dos espectros de raio X.
Com essa técnica, também foi possível analisar a morfologia, crescimento e
espalhamento das células fibroblastos inoculadas e cultivadas sobre os polímeros. Para
isto, os materiais foram colocados em placas de cultura de 24 poços. Em seguida, foi
inoculada uma suspensão celular na concentração de 3x106 células/mL e a placa
incubada por 24 horas a 37ºC. Após o período de incubação, os materiais foram fixados
por 2 horas em temperatura ambiente em solução de paraformoldeído a 2,5%,
glutaraldeído a 2,5% (Sigma, St Louis, MO, USA) dissolvidos em tampão cacodilato 0,1M
pH 7,4. Em seguida os materiais foram lavados em três banhos com solução de PBS por
15 minutos, pós-fixados com tetróxido de ósmio a 1% (Sigma, St Louis, MO, USA) em
geladeira por 15 minutos, lavados em três banhos com água por 15 minutos e
desidratados em concentrações crescentes de etanol (50%, 70%, 95% e 100%).
As análises foram realizadas no Laboratório de Recursos Analíticos e de
Calibração (LRAC) da Faculdade de Engenharia Química (FEQ/UNICAMP).
4.4.6 Reologia dos Polímeros Fundidos
Pela técnica da reologia dos polímeros fundidos é possível se obter uma medida
indireta da massa molar de polímeros. Essa técnica foi utilizada para se ter uma idéia do
valor de massa molar dos polímeros que estavam sendo produzidos para posteriormente
analisá-los via GPC (Cromatografia de Permeação em Gel). O equipamento Reômetro
Haake ReoStress 6000, Thermo Scientific, foi utilizado para obter a viscosidade à taxa de
cisalhamento zero (𝞰0) dos polímeros. As medidas foram realizadas a 200°C, em estado
estacionário em discos de 20 mm de diâmetro, a 40 min de processo. Taxas de
cisalhamento foram testadas de 0,001 a 10 s-1, com gaps de 1mm. Todos os testes foram
realizados sob atmosfera de nitrogênio para evitar oxidação do polímero.
A Equação de Mark-Houwink (Equação 1) foi utilizada para relacionar a massa
molar com as propriedades reológicas do PLA a 200°C. Os parâmetros K e a, foram
43
obtidos de INKINEN et al., (2011), sendo, respectivamente: 2,3x10-14 e 3,7. Os dados
experimentais foram comparados com a correlação de Carreau-Yasuda (Equação 2).
Equação de Mark-Houwink (MH)
𝜂0 = 𝐾(𝑀𝑤)𝑎 (1)
Linearizando:
ln(𝜂0) = ln 𝐾 + 𝑎 ln 𝑀𝑤
𝑀𝑤 = 𝑒(ln 𝜂0−ln 𝐾)
𝑎⁄
𝜂0 = (2,3𝑥10−14)𝑀𝑤3,7
Onde:
𝐾 e 𝑎 = constantes de Mark-Houwink
𝑀𝑤= massa molar ponderal média
𝜂0 = Viscosidade a taxa de cisalhamento zero
Correlação de Carreau-Yasuda
𝜂−𝜂∞
𝜂0−𝜂∞
= [1 + (𝜆𝛾)𝑎]𝑛−1
𝑎⁄ (2)
Onde:
𝜂0= viscosidade a taxa de cisalhamento zero
𝜂∞
= viscosidade infinita
𝜆= constante de tempo
𝑎 = parâmetro adimensional
𝜂 = índice da lei de potência
𝛾 = taxa de cisalhamento
44
4.4.7 Cromatografia de Permeação em Gel (GPC)
Com a utilização da técnica de GPC foi possível avaliar a massa molar ponderal
média (Mw), massa molar numérica média (Mn) e o índice de polidispersão (IP) em um
Cromatógrafo de Permeação em Gel, constituído de GPCmax VE 2001 da Viscotek
(bomba e amostrador) e detectores Viscotek modelo TDA302, com refratômetro RI,
viscosimétrico e light scattering de 90º. As amostras foram dissolvidas em clorofórmio e
em THF na concentração de 3mg/mL e avaliadas com base em uma curva padrão de
poliestireno.
As análises de GPC foram realizadas no laboratório GPC/HPLC da Faculdade de
Engenharia Química (FEQ/UNICAMP).
4.4.8 Ângulo de Contato
A análise de ângulo de contato foi realizada para avaliar a propriedade de
molhabilidade dos polímeros sintetizados. O equipamento utilizado foi o goniômetro
(Contact Angle Meter, modelo CAM-MICRO). Água deionizada foi utilizada como líquido
da gota séssil e as medidas foram conduzidas após 10s da deposição da gota com
volume aproximado de 2μL para estabelecimento do equilíbrio das forças envolvidas. As
medidas foram realizadas em tempertura ambiente na superfície das amostras.
Essa analise foi realizada no Laboratório de Física de Polímeros (FISPOL) da
Faculdade de Engenharia Química (FEQ/UNICAMP).
4.4.9 Análise Dinâmico-Mecânica (DMA)
A fim de avaliar as propriedades viscoelásticas dos polímeros, a analise dinâmico
mecânica foi realizada utilizando equipamento DMA - modelo DMA242, marca Netzsch.
As amostras foram aquecidas de 25 a 150°C a 2°C/min e foram utilizadas freqüência de
1Hz, força 1N, amplitude 60um, no modo three point bending. O tamanho das amostras
foi de 50mm de comprimento x 12mm largura x 1mm de altura.
Essa analise foi realizada no Laboratório Multiusuário de Caracterização de
Materiais da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM/UNICAMP).
45
4.4.10 Avaliação da Citotoxicidade
Foram utilizadas células Vero, uma linhagem celular do tipo fibroblastos originária
de rim de Macaco Verde Africano (Cercopithecus aethiops), obtidas junto ao Instituto
Adolfo Lutz, São Paulo-SP. Esta linhagem celular foi adotada por ser uma linhagem
recomendada para testes de citotoxicidade e interações com biomateriais (ISO 10993-5 I
Par 1, 1992; ISO 10993-5 I Par 5, 1992; KIRKPATRICK, 1992).
As células Vero foram cultivadas em meio Ham F-12 (Nutricell) suplementado com
10% de soro fetal bovino (SFB - Gibco) e 1% de penicilina e estreptomicina (PS, Gibco).
As células foram mantidas a 37°C em incubadora com 5% de CO2 (Sanyo Scientific,
USA).
Essas análises foram realizadas no Laboratório de Biomateriais em Ortopedia
(LABIMO) da Faculdade de Ciências Médicas (FCM) da Universidade Estadual de
campinas (UNICAMP).
4.4.10.1 MTT
Para avaliar a citotoxicidade de células Vero frente ao PLLA foi adotado o ensaio
de viabilidade celular por uma variação do método do MTT brometo de 3-(4,5-
dimetiltiazol-2-yl)-2,5-difenil tetrazolium.
Foi inoculada em placa de cultura de 96 poços (Corning Costar Corporation,
Cambridge, MA, USA) uma suspensão celular na concentração de 3 x 106 células/mL e
esta incubada a 37°C por 24 horas. Após este período, o meio de cultura presente na
placa foi substituído pelos polímeros e as células cultivadas por mais 24 horas a 37°C.
Foram utilizados como controle positivo de toxicidade (CPT) uma solução de meio
Ham F-12 com 10% de fenol e como controle negativo de toxicidade (CNT) o extrato de
poliestireno.
Decorrido o período de incubação, o meio de cultura foi retirado e os poços
lavados com 200 µL de PBS. Foram adicionados 200 µL de meio DMEM com 10 mM de
tampão Hepes e 50 µL de MTT Sigma (5 µg MTT / 1 mL PBS) e a placa incubada no
escuro por 4 horas a 37 °C.
Após 4 horas o meio com o MTT foi removido e em seguida adicionados 200µl de
Dimethyl Sulphoxide (DMSO). A placa foi mantida em temperatura ambiente por 30
46
minutos. A leitura de absorbância foi feita em leitor de Microplacas (Microplate Reader F5,
Molecular Probes) em comprimento de onda de 595 nm.
4.4.10.2 LIVE/DEAD
Células Vero foram incubadas com os polímeros em placa de 96 poços por 24
horas. Após o período de incubação os materiais foram lavados duas vezes com PBS.
Foram utilizado dois marcadores: verde fluorescente (480/500 nm excitação) e o
marcador vermelho fluorescente iodeto de propídeo (490/638 nm excitação). Os materiais
foram incubados em solução contendo 2 μM de iodeto de propídeo e 2 μM de calcein AM
(Kit Live/Dead® Viability cytotoxicity Molecular Probes TM) por 45 minutos a 37°C. Em
seguida foi feita a leitura de absorbância em leitor de Microplacas (Microplate Reader F5,
Molecular Probes) com filtro de fluorescência.
Para a obtenção de imagens por microscopia óptica as células foram analisadas
em microscópio óptico equipado com lâmpada de fluorescência.
47
5. Síntese do Poli (L-Ácido-Láctico) por
Policondensação Direta.
5.1 Introdução
O PLLA pode ser obtido a partir do ácido láctico, um ácido bifuncional (uma função
álcool e uma função ácido carboxílico) que pode ser convertido em polímero por muitas
rotas (JAHNO et al., 2005). O objetivo deste capítulo é investigar a síntese de PLLA pela
rota de policondensação direta de ácido láctico visando à obtenção de produtos com
possível utilização biomédica. O conhecimento das condições de síntese do PLLA
permitirá transferi-las de um reator convencional para um sistema de microrreação. Foram
desenvolvidos alguns testes preliminares com a finalidade de avaliar o comportamento da
reação e se obter domínio da polimerização. Neste capítulo será apresentada e discutida
a melhor condição de reação adotada e as propriedades dos produtos obtidos por esta
rota de obtenção de PLLA.
5.2 Desenvolvimento Experimental
Nas duas rotas de síntese escolhidas o processo de polimerização do ácido láctico
inicia-se através da desidratação do monômero, a qual gera um pré-polímero que consiste
em cadeias de oligômeros e PLA de baixa massa molar (Figura 5.1).
48
Figura 5. 1 Rotas convencionais de obtenção de PLLA (LASPRILLA, 2011).
LASPRILLA (2011) obteve o polímero de Poli (D,L-ácido láctico) por
policondensação utilizando um simples sistema de destilação. Nesse trabalho, o mesmo
sistema foi utilizado e está apresentado na Figura 5.2.
Figura 5. 2 Sistema experimental para polimerização do PLLA. (1) Reator de polimerização,
(2) Manta de aquecimento, (3) Gás inerte (4) Controlador de temperatura, (5) Agitador, (6)
Condensador, (7) Balão de condensação, (8) Trap fria, (9) Bomba de vácuo (LASPRILLA,
2011).
49
As reações de polimerização do ácido láctico consistem basicamente na união das
moléculas do monômero sob o efeito de temperatura e pressão reduzida para retirar a
água formada (Auras et al., 2010). Assim, desenvolveu-se inicialmente um sistema que
consistia em um balão de fundo redondo de três bocas, provido de um agitador mecânico
e um condensador conectado a um trap em uma linha de vácuo. Na primeira saída do
balão utilizou-se uma rolha de borracha perfurada com dois furos, sendo um para injeção
de N2 e outro para a entrada do sensor de temperatura; na segunda, um agitador
mecânico e a terceira, saída dos vapores arrastados pelo vácuo para o condensador. Um
sensor foi utilizado para medir a temperatura da solução no reator em conjunto com um
controlador PID. A pressão no sistema foi controlada usando uma bomba de vácuo
conectada em um trap frio, evitando assim, o arraste de substâncias indesejáveis para o
interior da bomba.
5.3 Síntese do PLA por Policondensação Direta
Nessa rota em estudo, a obtenção de PLLA foi realizada em três etapas
consecutivas: remoção de água livre, formação do pré-polímero (oligômeros) e
policondensação do PLLA. Testes iniciais baseados no trabalho de LASPRILLA (2011)
foram realizados até que se fixasse as melhores condições para essa síntese e que estão
aqui apresentados.
A primeira etapa é a desidratação do ácido láctico pela retirada de água por
destilação. A reação de desidratação do ácido láctico e seus ésteres exigem alto controle
das condições operacionais, pois devido à alta reatividade do ácido láctico em uma
reação à elevada temperatura, podem ser gerados produtos não desejados como ácido
acrílico (reação de desidratação), acetaldeído e CO2 (reação de descarboxilação) e ácido
propiônico (reação de redução) (LUNELLI, 2010). Nesta etapa, 250 mL de L-ácido láctico
(85 % em massa) foram desidratados para produzir oligômeros de PLLA. Para evitar a
reação do ácido nesta etapa, a temperatura de destilação da água foi alcançada por uma
taxa de aquecimento gradual de 20 em 20 °C em um intervalo de tempo de,
aproximadamente, 40 a 60 minutos até que se atingisse 140 °C. O condensador de
bolhas foi mantido a uma temperatura de 10 °C e a água livre recuperada no balão de
condensação. Essas condições foram mantidas por 2 horas sob pressão atmosférica.
Na segunda etapa, o ácido láctico é convertido em PLLA de baixa massa molar ou
oligômeros do ácido láctico. A temperatura foi ajustada em 200 °C e obteve-se por
50
policondensação, o pré-polímero do ácido láctico em um intervalo de tempo de 4 horas.
Essa etapa foi realizada à pressão atmosférica.
Na terceira e última etapa, obteve-se o polímero PLLA a partir do pré-polímero.
Para melhorar a transferência de massa e de calor, a reação de policondensação deve
ser com agitação intensa, a fim de homogeneizar a mistura de reação (AURAS et al.,
2010). Nessa etapa, a temperatura da reação foi mantida em 185 °C durante 4 horas
utilizando octanoato de estanho (Sn(Oct)2) como catalisador (1% w). A polimerização foi
realizada sob atmosfera reduzida (200 mmHg) em uma linha de vácuo-gás inerte (N2).
A Tabela 5.1 resume as condições de reações utilizadas na reação de
polimerização do PLLA pela rota de policondensação direta.
Tabela 5. 1 Condições de reação utilizadas na Síntese do PLLA.
Policondensação
direta
Temperatura
(°C)
Tempo
(h)
Pressão
(mmHg)
Atmosférica
inerte (N2)
Catalisador
Sn(Oct)2
1a etapa 140 2 760 Não _
2a etapa 200 4 760 Não _
3a etapa 185 4 200 Sim 1%
5.4 Resultados da Síntese por Policondensação Direta
Inicialmente, várias condições experimentais foram testadas até se obter as
condições ideais de reação citadas acima. Nos primeiros testes, o resultado obtido era um
líquido viscoso de coloração verde acentuada que não representava o produto esperado.
Foi preciso então ajustar condições de temperatura, tempo de reação, quantidade de
catalisador e pressão do sistema para se obter um material que apresentasse
características de um polímero. O produto obtido pode ser observado na Figura 5.3.
.
51
Figura 5. 3 Produto obtido pela policondensação direta.
O produto obtido, muito semelhante ao obtido por LASPRILLA (2011) foi um sólido
de coloração esverdeada. A forma de resfriamento do produto final pode influenciar na
coloração do polímero (LASPRILLA, 2011). Além disso, o rápido resfriamento dificulta na
organização das cadeias, o que pode torná-lo também um polímero amorfo.
O polímero obtido foi purificado solubilizando-o em clorofórmio sob agitação por 24
horas. Após essa etapa, foi precipitado em álcool etílico e mantido em refrigeração (5 °C)
por mais 24 horas. Foi realizada uma filtração simples à vácuo e seco em estufa (40 °C)
por 48 horas para eliminar qualquer solvente residual do polímero. O volume de álcool
etílico utilizado foi aproximadamente quatros vezes o de clorofórmio.
Os polímeros sem e com purificação foram caracterizados e comparados com
polímero padrão de PLLA fornecidos pela empresa PURAC.
5.4.1 Espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)
O polímero padrão de PLLA e o produto da síntese sem purificação foram
analisados estruturalmente por meio de espectroscopia na região do infravermelho
(FTIR). As análises de infravermelho foram realizadas para determinar os grupos
funcionais do produto obtido, comparar com o padrão e comprovar a formação do
polímero.
52
A Figura 5.4 apresenta o espectro obtido da análise de FTIR da amostra padrão de
PLLA e o produto obtido na síntese por policondensação.
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Sintese DP
% d
e T
ran
sm
ita
ncia
Numero de onda (cm-1)
PLLA padrao
Figura 5. 4 Comparação FTIR entre PLLA padrão e síntese.
Na Figura 5.4 para o PLLA padrão são observadas vibrações de valência simétrica
e assimétrica a 1130,42 e 1044,92 cm-1, referentes à ligação C-O do grupamento COO;
estiramento da ligação C-H a 2999, 47 e 2948,81 cm-1; alongamento do COO a 872 cm-1;
vibrações de valência do C=O do COO a 1754 cm-1 e vibrações de flexão do CH a
1387,86 e 1452 cm-1. Para o PLLA obtido na síntese observam-se vibrações de valência
simétrica e assimétrica a 1130,53 e 1040,14 cm-1, referentes à ligação C-O do
grupamento COO; estiramento da ligação C-H a 2989,63 e 2946,87 cm-1; alongamento do
COO a 870,76 cm-1; vibrações de valência do C=O do COO a 1750 cm-1 e vibrações de
flexão do CH a 1374,56 e 1345,14 cm-1. Para uma melhor comparação, esses valores de
bandas de absorção estão apresentados na Tabela 5.2.
53
Tabela 5. 2 Bandas de absorção do PLLA padrão e síntese por DP.
Bandas de absorção PLLA padrão
(cm-1)
PLLA síntese
(cm-1)
Vibrações de valência do C-H do CH3
(simétrica; assimétrica)
2999,47;
2948,81
2989,63;
2946,87
Vibrações de valência do C=O do COO 1754 1750,3
Vibrações de flexão C-H do CH3
(simétrica; assimétrica)
1387,86;
1452
1374,56;
1345,81
Vibrações de valência do C-O do COO
(simétrica; assimétrica)
1130,42;
1044,92
1130,53;
1040,14
Vibração de alongamento do COO 872,98 870,76
Analisando a Figura 5.4 e os dados da Tabela 5.2 pode-se afirmar que houve a
formação do polímero de PLLA pela rota estudada, o que foi evidenciado pela
similaridade dos espectros obtidos. Bandas características, sem muitos desvios quanto à
forma e a intensidade das mesmas, foram presenciadas. As bandas de grupos funcionais
apresentadas são as mesmas daquelas obtidas na amostra padrão e também as
encontradas na literatura (MOTTA & DUEK, 2006; NIKOLIC et al., 2010; JAHNO et al.;
2005; LASPRILLA, 2011).
5.4.2 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
A técnica de DSC foi utilizada para identificar as transições térmicas dos produtos.
O PLLA padrão, assim como o polímero obtido pela rota em estudo, sem e com
purificação, foram analisados. A Figura 5.5 apresenta o termograma DSC obtido na
análise do padrão de PLLA.
54
Figura 5. 5 Termograma DSC do PLLA padrão.
Essa análise possibilitou a determinação dos valores de temperatura para cada
evento térmico: Transição Vítrea (Tg) em 65,20 °C; Cristalização (Tc) em 137,08 °C;
Temperatura de fusão (Tm) em 191,20 °C. A Figura 5.6 mostra a temperatura de
degradação do polímero em 366,15°C. 1o
100 200 300 400 500
-150
-100
-50
0
50
Flu
xo
de
Ca
lor
(mW
/m
g)
Temperatura (° C)
Fusao
Degradaçمo
191,20 °C
366,15° C
Figura 5. 6 Termograma DSC da degradação do PLLA padrão.
55
O polímero de PLLA obtido na síntese por DP, antes e após purificação, foram
avaliados por essa técnica e seus termogramas são apresentados na Figura 5.7.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
PLLA nao purificado
Tg
Flu
xo
de
ca
lor
(mW
/mg
)
Tempo (s)
PLLA purificado
Tc
Tm
Figura 5. 7 Termogramas de DSC do Polímero PLLA por DP.
Pode-se observar que o polímero PLLA não purificado, não apresenta pico de
fusão, o que o classifica como um polímero amorfo. Após processo de purificação,
monômeros residuais, ou seja, parte do ácido láctico que não reagiu são eliminados,
dando origem à formação de cristais, apontado pelo aparecimento do pico de cristalização
e posterior fusão. O polímero sem purificação passou de um material amorfo para
semicristalino quando purificado. No polímero purificado foi observado temperatura de
cristalização (Tc) em 119,50 °C com grau de cristalização 41,01 % e pico de fusão (Tm)
em 126,39 °C. A temperatura de transição vítrea (Tg) foi observada apenas no
termograma antes da purificação em 32,46 °C que pode ser consequência da alta taxa de
aquecimento utilizada, não permitindo a visualização dessa transição na análise do
polímero não purificado.
JAHNO (2005) explica que os valores de Tg, Tm e Tc estão diretamente
relacionados com o tamanho da cadeia. O baixo valor encontrado está de acordo com a
56
literatura (SIQUEIRA, 2011; LASPRILLA, 2011), uma vez que, pela rota de síntese por
policondensação direta, são formados polímeros de baixas massas molares.
5.4.3 Cromatografia de Permeação em Gel (GPC)
Para determinar a massa molar do polímero obtido utilizou-se a técnica de GPC.
Com essa análise foram obtidas a massa molar numérica media (Mn), a massa molar
ponderal média (Mw) e o índice de polidispersação (IP) do polímero sem e com
purificação. Os resultados se encontram na Tabela 5.3.
Tabela 5. 3 Valores de massa molar (Mn e Mw) e polidispersão do polímeros obtidos por DP,
antes e após purificação.
PLLA Purificação Mn (g/mol) Mw (g/mol) IP
Síntese por DP NÃO 1.199 2.134 1,779
SIM 2.281 3.404 1,492
Observando os valores obtidos, ressalta-se a importância no processo de
purificação dos polímeros. Valores de massa molar passaram de 2.134g/mol para 3.404
g/mol. Apesar de estarmos tratando de baixa massa molar, o ganho em termo de valores
foi significativo, parâmetro esse que pode influenciar sua utilização. PROIKAKIS et al.,
(2002) afirmam que um polímero PLLA com Mw de 2.500 g/mol pode ser aplicado em
preparações de sistemas de liberação controlada de drogas.
Em comparação com a polimerização por abertura do anel, a polimerização por
policondensação direta tem menos etapas de fabricação e menor custo, tornando-se mais
fácil de manipular e comercializar (CHENG et al., 2009). O polímero de baixa massa
molar é a principal diferença entre as rotas de polimerização e dependendo da sua
aplicação, essa característica pode ser requerida. Se tratando de dispositivos de liberação
controlada de drogas, suturas cirúrgicas e suportes para cultivo de células, essa
característica pode se tornar uma vantagem, uma vez que, a degradação desses
polímeros ocorre mais rapidamente que nos polímeros de massa molar mais elevada.
57
5.4.4 Ângulo de Contato
O ângulo de contato (θ) representa o equilíbrio mecânico de uma gota depositada
numa superfície sólida e pode avaliar a propriedade de molhabilidade do sólido (SENA,
2011).
O valor do θ pode variar entre 0° e 180°. Quando θ = 0° o líquido molha a
superfície do sólido completamente e espalha-se livremente sobre a superfície
caracterizando-o como hidrofílico. Quando θ > 0 o líquido não espalha completamente
sobre a superfície. Líquidos que molham a superfície fazendo θ próximo de 180 são
considerados hidrofóbicos (SENA, 2011).
A análise de ângulo de contato foi utilizada para avaliar a propriedade de
molhabilidade dos polímeros sintetizados. Nesse método, uma gota de água deionizada é
depositada sob a superfície do polímero e a medida é feita diretamente pela análise do
ângulo formado por ela.
Na Tabela 5.4 os valores de θ obtidos por essa técnica estão apresentados. Os
polímeros com e sem purificação foram analisados. Para efeito de comparação, o
polímero padrão de PLLA fornecido pela PURAC foi também avaliado.
Tabela 5. 4 Valores de ângulos de contato para os polímeros obtidos por DP.
PLLA Purificação Ângulo de contato (θ)
Síntese por DP NÃO 56° ± 2
SIM 58° ± 2
PLLA Padrão NÃO 80° ± 2
Observando os valores de θ obtidos, nota-se que o polímero sintetizado por essa
rota de polimerização, produz um produto com potencial hidrofílico (entre 56 e 58°). Já
para o polímero padrão, esse valor aumenta para 80°. Essa diferença entre os valores se
dá ao fato do polímero sintetizado por DP apresentar propriedades físicas e químicas
inferiores ao polímero padrão. Uma vez que essa condição é desejada, como por
exemplo, a degradação do material em um menor intervalo de tempo, ou a absorção de
água nos dispositivos de liberação controlada de droga, esse polímero pode apresentar
potencial. A porosidade do material é outro fator que pode influenciar na molhabilidade
dos sólidos (BARBANTE et al., 2005), apesar dos polímeros obtidos apresentarem
superfície lisa, sem rugosidade ou poros, sua absorção de água pode ser considerada
58
alta. A purificação do polímero não apresentou grande mudança em relação ao ângulo θ
observado; nos dois produtos os valores foram semelhantes.
5.4.5 Avaliação da Citotoxicidade pelo Método do MTT
O teste pelo método MTT permitiu avaliar a citotoxicidade dos materiais
sintetizados. Com esse teste, é possível avaliar o número de células metabolicamente
ativas, quando cultivadas na presença do material, comparando-os ao controle CNT.
Amostras do polímero, sem e com purificação, foram testadas e os valores da viabilidade
celular se encontram na Tabela 5.5. Essa analise foi realizada em triplicata e as médias
foram calculadas.
Tabela 5. 5 Dados da citotoxicidade pelo ensaio de viabilidade celular com método do MTT
para as amostras de PLLA obtidos em microrreator.
Amostras Leitura de Absorbância Média
CPT 0,0386 0,0416 0,0404 0,0402
CNT 0,4754 0,8128 0,7071 0,6651
PLLA não
purificado 0,0462 0,0484 0,0458 0,0468
PLLA
Purificado 0,2743 0,2478 0,2601 0,2607
Analisando a Tabela 5.5 com os valores de absorbância obtidos, foi possível
confirmar a citotoxicidade do polímero obtido sem etapa de purificação. Baixa quantidade
de células vivas foi encontrada nessa amostra do polímero, que foi comparado ao controle
positivo de citotoxicidade (CPT). Após processo de purificação, nota-se uma melhora na
viabilidade celular. O polímero purificado pôde ser classificado como atóxico, uma vez que
se aproxima mais do controle negativo de citotoxicidade (CNT - destacado em negrito no
texto). Apesar dessa classificação, a quantidade de células viáveis na amostra se
apresentou baixa. Vale ressaltar que esse polímero, produzido a partir do ácido láctico,
certamente apresenta traços de ácido láctico que não reagiu durante a polimerização o
que pode levar a acidificação do meio e comprometimento das células. A purificação tem
o objetivo de eliminar esses traços de ácidos que não reagiram e então não comprometer
o meio com elementos ácidos. O mau processamento nessa etapa pode levar ao
59
comprometimento do polímero. Após esse tratamento, observa-se o aumento na
viabilidade celular, justificada pela ausência de monômeros residuais.
Para uma melhor visualização dos resultados, um gráfico de colunas foi construído
e está apresentado na Figura 5.8.
Figura 5. 8 Análise de citotoxicidade para as amostras obtidas por DP com e sem
purificação pelo método MTT.
5.4.6 Investigação da Morfologia das Células por Microscopia Eletrônica de
Varredura (MEV)
Com a finalidade de avaliar a morfologia das células na superfície dos polímeros, a
técnica de MEV foi utilizada. No entanto, não foi possível se obter miscroscopia das
células viáveis. Apenas microscopia da superfície e fratura dos polímeros podem ser
observadas, apresentadas na Figura 5.9.
60
Figura 5. 9 Microscopia no polímero obtido por DP antes (esquerda) e após (direita)
processo de purificação.
Analisando a Figura 5.9 fica evidente a diferença entre os polímeros antes e após
purificação. No polímero sem purificação, um produto de superfície lisa, sem
irregularidade é produzido. Já no produto purificado, o material apresenta rugosidade em
sua superfície que pode ser explicado devido à evaporação do solvente, na etapa de
secagem do polímero. Além da eliminação dos elementos ácido, tóxicos às células, essa
característica de rugosidade pode ser considerada uma vantagem para esse polímero,
uma vez que as células aderem e se proliferam melhor em superfícies irregulares
(BARNES et al., 2007).
5.5 Conclusão
A rota de polimerização por policondensação direta do ácido láctico mostrou-se
eficiente na obtenção do polímero de baixa massa molar de PLLA. Os produtos obtidos,
antes e após processo de purificação, foram analisados por diferentes técnicas de
caracterização, podendo-se afirmar que houve a formação do polímero nas condições
estudadas.
Foi possível concluir também que o processo de purificação é etapa imprescindível
na obtenção de polímeros. Os testes in vitro mostraram que resíduos ácidos da reação
podem provoca a acidificação do meio ocasionando morte celular. Dos produtos obtidos,
de acordo com o valor de sua massa molar e seu caráter atóxico, o polímero após
purificação, apresenta-se com potencial para ser aplicado em dispositivos de liberação
61
controlada de drogas. Contudo, novos testes devem ser realizados para que esses
produtos possam ser utilizados.
62
63
6. Síntese do Poli (L-Ácido-Láctico) por Abertura
de Anel.
6.1 Introdução
O PLA preparado a partir da policondensação direta tem baixa massa molar e
propriedades mecânicas e, portanto, é utilizado somente em algumas aplicações como
liberação controlada de drogas, suturas cirúrgicas e suportes para cultivo de células, não
sendo adequado para outras aplicações como implantes, parafusos, placas, etc. (FREIRE
et al., 2010). O método mais eficiente para a preparação de PLA de alta massa molar é a
polimerização por abertura de anel do dímero cíclico do ácido láctico, conhecido como
lactídeo (ROP - Ring Opennig Polymerization) (YU et al., 2010; YANG & LIU, 2008,
THOMAZ, 2010; NAMPOOTHIRI, et al., 2010).
O lactídeo, um dímero cíclico de ácido láctico, é formado na primeira etapa quando
a água da condensação é removida por evaporação durante a oligomerização. L-ácido
láctico, D-ácido láctico ou misturas podem ser polimerizados aos seus correspondentes
oligômeros de baixa massa molar, que são despolimerizados cataliticamente em seguida
através de uma transesterificação interna do lactídeo. Na segunda etapa, o monômero L-
lactídeo, D-lactídeo, D,L-lactídeo ou meso-lactídeo é convertido no seu correspondente
poliéster de alta massa molar por polimerização por abertura de anel (NAMPOOTHIRI et
al., 2010).
Esta rota é uma reação de três etapas que normalmente envolve passos de
purificação adicional e, portanto, relacionada a custos mais elevados (AURAS et al.,
2010). Durante as duas últimas décadas, esforços consideráveis têm sido feitos para
melhorar o processo de produção de lactídeo, visando à redução do seu custo de
produção (LASPRILLA, 2011).
Grande parte da literatura baseada no ROP de PLA apresenta principalmente a
reação a partir do lactídeo de alta pureza. Somente algumas descrições do processo
completo, que inicia-se desde o ácido láctico até a obtenção do PLA, podem ser
encontradas na literatura (AURAS et al., 2010). De maneira semelhante, é difícil encontrar
estudos com maiores volumes de reação, sendo, na maioria dos casos, esta síntese
64
investigada em ampolas. Isto pode estar relacionado ao alto custo do lactídeo e longos
tempos de reação.
Feitas estas considerações, neste capítulo é apresentada o desenvolvimento
experimental utilizado para a síntese por abertura de anel do PLLA a partir de seu
monômero inicial, o ácido láctico. Serão também discutidas questões do processo de
obtenção do lactídeo e seu posterior processo de polimerização.
6.2 Desenvolvimento Experimental
O processo geralmente aplicado para ROP de PLLA, partindo-se do ácido láctico,
envolve três etapas distintas: policondensação, obtenção do lactídeo e polimerização por
abertura de anel. Os três processos devem lidar com uma série de etapas críticas, sendo
algumas delas relacionadas à natureza da molécula do ácido láctico, enquanto outras
geradas como resultado das condições do processo (AURAS et al., 2010).
6.2.1 Policondensação
No capítulo anterior, a policondensação foi estudada para a produção do PLLA de
baixa massa molar. Nesta etapa do projeto, a policondensação é empregada para formar
um produto intermediário na obtenção de lactídeo, conhecido como oligômeros de ácido
láctico.
A primeira etapa correspondente à formação do pré polímero, ou seja, oligômeros
de PLLA, iniciou-se com o processo de desidratação do ácido láctico. A reação foi
montada de acordo com o esquema reacional apresentado no Capítulo 5, Figura 5.2.
Segundo AURAS et al., (2010) a evaporação da água livre requer um sistema com boa
transferência de calor e pode ser feita com pressão atmosférica. Devido ao equilíbrio
entre ácido láctico e água, uma baixa quantidade de oligômeros de ácido láctico (dímero
linear, trímero linear, entre outros) pode ser formada nesta fase.
Para evitar a reação do ácido nessa etapa, foi feito um rigoroso controle de
temperatura com aumento gradual até que se atingisse a temperatura desejada. Nessa
etapa, uma grande quantidade de vapores foram recolhidos por destilação, no balão de
condensação. Algumas condições experimentais foram testadas e modificações feitas a
fim de se obter um produto com características desejadas.
65
Após a desidratação obteve-se então, por policondensação, o pré-polímero do
ácido láctico utilizando o catalisador de estanho.
6.2.2 Obtenção do Lactídeo
O produto obtido na etapa anterior (policondensação) foi misturado ao catalisador
no balão reacional e por destilação, o lactídeo foi sintetizado. O mesmo sistema
experimental montado inicialmente para o processo de policondensação foi também
aplicado na obtenção no lactídeo, porém, foi necessária a troca do condensador. O
condensador de bolhas foi trocado por um espiral que possibilitou melhor troca de calor
entre as paredes, recuperando assim, de maneira mais satisfatória o lactídeo produzido.
O condensador foi mantido em 90 °C e o produto foi recuperado no balão de
condensação na forma sólida de cristais de lactídeo.
A Figura 6.1 mostra o sistema utilizado na obtenção do lactídeo
Figura 6. 1 Sistema experimental de obtenção do lactídeo.
66
6.2.3 Polimerização por Abertura de Anel
As reações de polimerização do PLA foram realizadas em um reator de vidro
desenvolvido especificamente para este tipo de reação. A temperatura da manta de
aquecimento foi controlada através de um termopar e as reações foram realizadas em
atmosfera inerte de N2.
Para essa etapa do projeto, devido ao baixo rendimento nas reações de obtenção
do lactídeo, o lactídeo comercial da PURAC foi utilizado e algumas reações foram
realizadas com o objetivo de ajustar as melhores condições experimentais. Após ter feito
teste de citotoxicidade e comprovada a característica atóxica do material, as mesmas
condições de síntese foram utilizadas com o lactídeo obtido em laboratório.
No interior do reator, um banho de glicerina foi ajustado a uma temperatura de
140°C e em um béquer, 40 mg de lactídeo foram misturados ao catalisador octanoato de
estanho. Foram realizadas cinco diferentes reações com concentrações de catalisador
variando entre 0,1%, 0,3%, 0,5%, 0,8% e 1,0% e fluxo de nitrogênio mantido em 10
mL/min. O tempo de reação foi mantido em 2 horas. A Figura 6.2 apresenta o reator
utilizado.
Figura 6. 2 Reator utilizado para a síntese de PLA por abertura de anel.
67
Os polímeros obtidos foram purificados solubilizando-os em clorofórmio, sob
agitação por 24 horas. Após essa etapa, foi precipitado em álcool etílico e mantido em
refrigeração (5 °C) por mais 24 horas. O precipitado foi filtrado à vácuo e seco em estufa
(60 °C) por 48 horas. O volume de álcool etílico utilizado foi aproximadamente quatros
vezes o de clorofórmio.
6.3 Síntese do PLLA por Abertura de Anel
6.3.1 Policondensação
A síntese de PLLA por ROP inicia-se com a obtenção do lactídeo. A fabricação
deste, por sua vez, é realizada por despolimerização de PLLA de baixa massa molar
(oligômeros), de preferência com massa molar (Mw) entre 400-2500 g/mol (AURAS et al.,
2010). As mesmas condições de sínteses de PLLA discutidas no Capítulo 5 foram
utilizadas nessa etapa em estudo.
Inicialmente, o ácido láctico foi desidratado em uma temperatura de 140 °C por 2
horas sob pressão atmosférica. Em seguida, a temperatura foi ajustada para 200 °C por 4
horas também sob pressão atmosférica. Na ultima etapa, a temperatura utilizada foi de
185 °C por 4 horas com pressão reduzida em 200 mmHg e atmosfera de N2, obtendo-se
assim, o PLLA de baixa massa molar.
6.3.2 Obtenção do Lactídeo
Várias tecnologias para a fabricação de lactídeo em batelada com o uso de
diferentes catalisadores são encontradas na literatura. Esses processos envolvem o
aquecimento entre 200 e 240 °C sob pressão reduzida, na presença de 0,05 a 1,0 % em
massa de estanho em pó ou um composto derivado de estanho, de tal forma que o
lactídeo seja produzido e destilado (JAHNO, 2005; YOO & KIM, 2006; YANG & LIU, 2008;
AURAS et al., 2010; LASPRILLA, 2011; SIQUEIRA, 2011).
Os testes iniciais foram realizados conforme processo descrito por LASPRILLA
(2011). Porém, os resultados na etapa da síntese do lactídeo não foram os esperados,
sendo, portanto, modificadas as condições de reação. Diferentes testes foram realizados
com o objetivo de obter maior quantidade de produto e de maior pureza.
68
Na etapa de policondensação, utilizou-se um condensador de bolhas, que
apresentou eficiência na reação. Já nessa etapa de obtenção do lactídeo, a transferência
de calor entre as paredes nesse tipo de condensador não foi suficiente e devido ao vácuo
utilizado, o produto gasoso acabou sendo arrastado, promovendo a cristalização nas
partes da linha de vácuo. Quando o processo era realizado com menor vácuo, a retirada
do lactídeo da mistura de reação não era efetiva.
Diante da dificuldade nesse momento da reação, optou-se por mudanças no
sistema reacional. O condensador de bolhas foi trocado por um condensador em espiral,
sendo então possível a recuperação do produto no balão de destilado. Outros testes
foram feitos utilizando o mesmo condensador de espiral na etapa de policondensação
mas acabou apresentando problemas devido a água que ficava retida nos espirais.
Com o desenvolver das reações, foi preciso ajustar o sistema reacional e várias
modificações foram necessárias. Nos primeiros testes, o rendimento da reação foi muito
baixo e pouco produto pode ser recuperado. Com a troca do condensador e um ajuste na
pressão do sistema, foi possível obter maiores quantidades de produtos. A pressão no
sistema teve que ser rigorosamente controlada para que o produto não fosse arrastado
para a linha de vácuo, uma vez que, se o processo era feito com menor pressão, a
destilação do lactídeo não era eficiente. Foi necessário também resfriar o balão de
destilado com banho de gelo, garantindo assim que o produto não fosse arrastado pelo
vácuo até a bomba.
Outra dificuldade encontrada nessa etapa da reação foi na recuperação do
lactídeo depois de destilado. A temperatura do condensador foi inicialmente mantida em
75 °C e o produto foi recuperado no balão de condensação na forma de cristais de
lactídeo. Enquanto aquecido e no estado liquido, parte do material produzido ficou retido
nos espirais do condensador e não pode ser retirado, ocasionando na sua cristalização,
quando em temperatura ambiente, do material no interior do condensador. A Figura 6.3
mostra o condensador no final do processo de destilação do lactídeo.
69
Figura 6. 3 Condensador com cristais de lactídeo.
Tendo em vista essas dificuldades, a temperatura do banho do condensador foi
reajustada para 90°C e a conexão entre o condensador e o balão recobertos com espuma
de polietileno para isolamento térmico, o que facilitou nas reações posteriores.
Diferentes condições de reação foram testadas, tanto na produção do polímero de
baixa massa molar, como na obtenção do lactídeo. Nessa etapa do projeto grande
dificuldade foi encontrada uma vez que, não se encontra na literatura muitos processos
descritivos dessa etapa. Na maioria dos trabalhos envolvendo a síntese do PLLA o
monômero de partida é o lactídeo comercial e pouco se retrata da sua obtenção partindo
do ácido láctico. Sendo assim, vários testes foram realizados variando condições
temperatura, pressão, concentração de catalisador e também a utilização de um outro
catalisador, o óxido de estanho (SnO), com o objetivo de se obter o lactídeo com bons
resultados. A Tabela 6.1 apresenta as diferentes condições testadas na obtenção do
lactídeo.
Em todas as reações o aspecto do produto obtido foi o mesmo, porém diferentes
quantidades e pureza do produto foram geradas. A Figura 6.4 apresenta, como exemplo,
dos sete diferentes lactídeos produzidos.
70
Tabela 6. 1 Condições de operação avaliadas na obtenção do Lactídeo.
Teste
Policondensação Obtenção do Lactídeo
T
(°C)
P
(mmHg)
t
(h)
Cat
(%w)
T
(°C)
P
(mmHg)
t
(h)
Cat
(%w)
1 185 200 4 1,0
Sn(Oct)2 240 200 6
1,0
Sn(Oct)2
2 185 200 4 0,5
Sn(Oct)2 240 200 6
0,5
Sn(Oct)2
3 185 150 4 0,5
Sn(Oct)2 240 150 6
_
4 185 150 3 1,0
(SnO) 240 150 4
_
5 185 100 3 1,0
(SnO) 240 100 4
1,0
Sn(Oct)2
6 185 100 4 _
240 100 3 0,1
Sn(Oct)2
7 200 150 4 _
240 100 3 1,0
Sn(Oct)2
Figura 6. 4 Lactídeo produzido.
71
6.3.3 Polimerização por abertura de anel
A terceira e última etapa na obtenção do PLLA a partir do ácido láctico, é a
polimerização por abertura de anel do lactídeo. A temperatura utilizada nessa etapa deve
ser mantida entre 130-140 ºC, evitando temperaturas elevadas que podem levar a um
processo de despolimerização, que provoca a redução da massa molar do polímero
(Motta e Duek, 2006). A concentração do catalisador é outro parâmetro de extrema
importância para o sucesso da reação. Na literatura são encontrados trabalhos que
variam de 0,05 até 1,0% em massa de catalisador, com diferentes tempos de reação
(JAHNO, 2005; YOO & KIM, 2006; SIQUEIRA, 2011; LASPRILLA, 2011).
Com o objetivo de se testar diferentes condições de reação também para essa
etapa, optou-se por utilizar lactídeo comercial da PURAC. Nessa etapa, o catalisador
utilizado foi o octanoato de estanho (Sn (Oct)2). Cinco diferentes concentrações de
catalisador foram testadas: 0,1%; 0,3%; 0,5%; 0,8% e 1,0%, e o tempo de reação fixado
em 2 horas à temperatura de 140 ºC.
A Figura 6.5 apresenta o polímero obtido com 0,5% de catalisador com o lactídeo
comercial antes e após purificação.
Figura 6. 5 PLA antes (esquerda) e após (direita) purificação.
72
6.4 Resultados da Síntese do PLLA por Abertura de Anel
Os resultados serão apresentados separadamente para os polímeros PLLA
obtidos com o lactídeo da PURAC e com o PLLA a partir do lactídeo produzido em
laboratório. Para uma melhor compreensão dos resultados, os materiais obtidos serão
comparados com o polímero padrão de PLLA fornecido pela PURAC.
6.4.1 Resultados com Lactídeo comercial
6.4.1.1 Espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)
Com a técnica de espectroscopia FTIR foi possível determinar os grupos
funcionais presentes em cada amostra. Na figura 6.6 pode-se observar os espectros
obtidos comparados com o PLLA padrão.
Pode-se observar pela figura, a similaridade dos picos referentes as bandas de
absorção de cada amostra. As mesmas bandas de absorção foram encontradas para o
polímero padrão de PLLA (já apresentado no Capítulo 5, Tabela 5.2) e as encontradas na
literatura (MOTTA E DUEK, 2006; NIKOLIC et al., 2010; JAHNO et al., 2005; LASPRILLA,
2011), confirmando a formação do polímero nas diferentes concentrações de catalisador.
73
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
84
86
88
90
92
94
96
98
100
102
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
90
92
94
96
98
100
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
94
95
96
97
98
99
100
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
92
94
96
98
100
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
92
94
96
98
100
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
50
60
70
80
90
100
TR
AN
SM
ITA
NC
IA (
%)
Numero de onda (cm-1)
PLLA Padrao
TR
AN
SM
ITA
NC
IA (
%)
Numero de onda (cm-1)
PLLA 0,5%
TR
AN
SM
ITA
NC
IA (
%)
Numero de onda (cm-1)
PLLA 0,1% PLLA 0,8%
TR
AN
SM
ITA
NC
IA (
%)
Numero de onda (cm-1)
PLLA 1,0%
TR
AN
SM
ITA
NC
IA (
%)
Numero de onda (cm-1)
PLLA 0,3%
TR
AN
SM
ITA
NC
IA (
%)
Numero de onda (cm-1)
Figura 6. 6 Espectro FTIR para os polímeros de PLLA padrão e em diferentes concentrações
de catalisador.
6.4.1.2 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
Os polímeros obtidos pela rota de abertura de anel com o lactídeo comercial foram
analisados por essa técnica de avaliação térmica. Esses polímeros, produzidos com
quantidade diferente de catalisador (0,1%; 0,3%; 0,5%; 0,8% e 1,0%), antes e após serem
purificados, apresentou comportamentos diferentes.
74
As Figuras de 6.7 a 6.11 apresentam os termogramas dos polímeros obtidos com
as diferentes concentrações de catalisador, sendo n.p. para os polímeros não purificados
e p. para os purificados.
0 1000 2000 3000 4000 5000
PLLA 0,1% n.p.
PLLA 0,1% p.
Flu
xo
de
Ca
lor
(mW
/mg
)
Tempo (s)
Figura 6. 7 Termograma DSC do polímero 0,1 %.
75
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
PLLA 0,3 % n.p.
Flu
xo
de
Ca
lor
(mW
/mg
)
Tempo (s)
PLLA 0,3 p.
Figura 6. 8 Termograma DSC do polímero 0,3 %.
0 1000 2000 3000 4000
PLLA 0,5% n.p.
Flu
xo
de
Ca
lor
(mW
/mg
)
Tempo (s)
PLLA 0,5% p.
Figura 6. 9 Termograma DSC do polímero 0,5 %
76
0 1000 2000 3000 4000
PLLA 0,8 n.p
Flu
xo
de
Ca
lor
(mW
/mg
)
Tempo (s)
PLLA 0,8 p.
Figura 6. 10 Termograma DSC do polímero 0,8%.
0 1000 2000 3000 4000
PLLA 1,0% n.p.
He
at F
low
(W
/g)
Tempo (s)
PLLA 1,0% p.
Figura 6. 11 Termograma DSC do polímero 1,0 % não purificado.
77
A Tabela 6.2 apresenta um resumo dos termogramas apresentados anteriormente
com os valores específicos de temperatura para cada evento térmico observado nas
amostras.
Tabela 6. 2 Valores específicos para os eventos térmicos dos polímeros sintetizados
%
catalisador Purificação
Cristalização
(°C)
Cristalização
a frio (°C)
Transição
Vítrea (°C)
Fusão
(°C)
Degradação
(°C)
0,1 NAO 98,76 106,69 52,49 171,24 298,61
SIM 97,11 96,51 53,38 171,38 309,86
0,3 NÃO 91,58 100,57 51,90 168,47 298,56
SIM 107,09 _ _ 175,89 308,63
0,5 NAO 99,47 101,75 55,86 174,62 294,86
SIM 104,80 _ _ 178,98 312,10
0,8 NÃO _ 114,01 55,27 171,05 298,42
SIM 101,45 101,68 57,79 172,91 296,01
1,0 NAO 104,92 96,60 59,66 178,52 291,07
SIM 102,32 _ _ 180,88 298,43
Analisando os termogramas referentes aos polímeros com concentração de 0,1%
e 0,8%, nota-se que o polímero sem purificação, apresenta transições térmicas iniciais
que desaparecem após processo de purificação. Provavelmente, essas transições estão
relacionadas com algum monômero residual que não reagiu no processo de
polimerização, que depois de serem purificados, desaparecem.
Pela análise dos valores apresentados na Tabela 6.2 observa-se que após o
processo de purificação dos polímeros, os valores de temperatura de fusão e degradação
foram maiores. Em alguns termogramas, valores relacionados a cristalização,
cristalização a frio e Tg, não foram determinados devido a ausência de picos nas análises.
Valores relacionados a Tg do material, quando puderam ser determinados, apresentaram
mudanças também após o processo de purificação do material. Os valores encontrados,
relativamente maiores, correspondem a eficiência no processo de purificação e
consequente melhoria do material. A etapa de purificação é essencial para que sejam
eliminados monômeros residuais que possivelmente não reagiram e que podem também
influenciar na massa molar final do polímero.
78
Os valores encontrados para esses polímeros se encontram abaixo dos obtidos
para o polímero padrão de PLLA, transição Vítrea (Tg) em 65,20 °C; cristalização (Tc) em
137,08 °C; temperatura de fusão (Tm) em 191,20 °C e temperatura de degradação em
366,15°C, sendo que, o que mais se aproximou desses valores, foi o polímero com
concentração de 1,0%.
6.4.1.3 Reologia
Inicialmente, para avaliar o valor da massa molar nos polímeros sintetizados, a
técnica de reologia de polímeros fundidos foi utilizada. Essa técnica permite obter um
valor de massa molar indireta, mas com comparação a um polímero padrão, pode-se
fazer uma analogia e se ter uma idéia do polímero que está sendo produzido. A técnica
utiliza a equação de Carreau-Yasuda para ajustar os pontos e com os parâmetros obtidos
na análise é possível a determinação da massa molar do polímero.
A Figura 6.12 mostra a viscosidade versus a taxa de cisalhamento do PLLA
padrão a 200°C. Os parâmetros obtidos nessa análise estão apresentados na Tabela 6.3.
Valores de K e a foram obtidos a partir da relação determinada por INKINEN et al., 2011.
Figura 6. 12 Viscosidade versus taxa de cisalhamento do PLLA padrão a 200 °C.
79
Tabela 6. 3 Parâmetros da Equação de Careau-Yasuda e Massa Molecular do PLLA.
Parâmetros Valores
K 2,3x10-14
𝞰o 2665
𝞰∞
0
a 3,7
n 0,8846
γ 9,934
R 0,9972
Mw (g/mol) 40915,10
De maneira semelhante, os polímeros obtidos com o lactídeo comercial nas
diferentes concentrações de catalisador, antes e após purificação, foram analisados e os
resultados estão apresentados na Tabela 6.4.
Tabela 6. 4 Valores encontrados de massa molar para os polímeros sintetizados.
% Catalisador Mw (g/mol)
Não Purificado
Mw (g/mol)
Purificado
0,1 14.598,53 16.124,41
0,3 10.527,14 12.886,73
0,5 14.645,27 16.754,94
0,8 28.095,95 31.011,59
1,0 29.725,91 36.365,63
A massa molar do PLLA afeta uma variedade de propriedades relacionadas à
processabilidade, características mecânicas e degradação do polímero (INKINEN, et al.,
2011).
De acordo com os valores apresentados na Tabela 6.4 foi possível concluir que a
concentração de catalisador afeta significativamente no valor de massa molar do
polímero, porém essa medida retrata a um valor indireto, sendo necessário a
determinação do valor real de massa molar em se tratando de polímeros.
80
Outro aspecto de extrema importância está relacionada a purificação dos
polímeros. Em todos os casos estudados, o aumento da massa molar foi relativamente
alto, o que implica numa melhoria significativa nas propriedades desses polímeros que,
dependendo da sua aplicação, podem ser requeridos.
Dentre os testes realizados, o polímero utilizando 1,0% de catalisador foi o que
apresentou o maior valor referente a massa molar (36.365,63 g/mol), muito próximo ao
valor encontrado para o PLLA padrão (40.915,10 g/mol).
6.4.1.4 Cromatografia de Permeação em Gel (GPC)
Para avaliar o valor real da massa molar a técnica de Cromatografia de
Permeação em Gel foi utilizada. Com essa análise foram obtidas valores referentes a
massa molar numérica média (Mn), massa molar ponderal média (Mw) e o índice de
polidispersação (IP). O polímero sintetizado com 0,5% e 1,0% de catalisador, com e sem
purificação foram enviados para análise. A Tabela 6.5 apresenta esses valores.
Tabela 6. 5 Valores de massa molar (Mn e MW) e polidispersão do polímero 1.0%.
PLLA Purificação Mn (g/mol) Mw (g/mol) IP
0,5% NÃO 49.603 80.153 1,615
SIM 52.603 86.93 1,652
1,0 % NÃO 72.344 166.785 2,305
SIM 103.929 230.392 2,216
Observando os valores apresentados na Tabela 6.5 nota-se um aumento
expressivo, principalmente no valor de Mw após processo de purificação, do polímero
1,0% que passou de 166.785 g/mol para 230.392 g/mol. Já para o polímero 0,5%, valores
referentes a Mw, antes e após purificação, não sofreram grandes alterações que podem
estar relacionados ao processo de purificação. O índice de polidispersão (IP) tende a
diminuir após purificação como conseqüência da distribuição mais uniforme das cadeias
no polímero, conforme observado para esses dois polímeros.
O polímero padrão de PLLA não pôde ser analisado por essa técnica, mas autores
revelam que esse polímero pode apresentar Mw variando de 2.000 a 300.000 (g/mol)
(JAHNO, 2005). Sendo assim, o valor encontrado para o polímero sintetizado com 1,0%
81
de concentração apresentou valores consideráveis de massa molar, próximos àqueles
comercializados industrialmente.
6.4.1.5 Ângulo de Contato
Com essa técnica de análise foi possível determinar a molhabilidade dos
polímeros sintetizados. Os cinco polímeros obtidos, com e sem purificação foram
analisados por essa técnica e seus resultados podem ser observados na Tabela 6.6.
Tabela 6. 6 Valores de ângulo de contato para os polímeros obtidos por ROP.
PLLA Purificação Ângulo de
contato (θ)
0,1% NÃO 88° ± 2
SIM 110° ± 2
0.3% NÃO 88° ± 2
SIM 106° ± 2
0,5% NÃO 90° ± 2
SIM 110° ± 2
0,8% NÃO 82° ± 2
SIM 98° ± 2
1,0% NÃO 84° ± 2
SIM 116° ± 2
PLLA
Padrão __ 80° ± 2
De acordo com os valores encontrados para θ nota-se que para todos os
polímeros estudados, após passaram pelo processo de purificação, se tornam mais
resistentes a absorção de água. Essa característica confirma que o processo de
purificação modifica a estrutura do polímero. Dependendo da aplicação desejada, pode-se
escolher entre um polímero mais hidrofílico ou não. Todos esses levantamentos estão
diretamente relacionados com o destino final do produto. Os valores encontrados para os
polímeros sem purificação estão bem próximos ao valor de θ para o polímero padrão.
82
6.4.1.6 Análise Dinamico-Mecânica
A fim de avaliar as propriedades viscoelásticas dos polímeros em estudo, a análise
dinâmico-mecânica foi realizada.
A análise dinâmico-mecânica (DMA) em sistemas poliméricos traz importantes
contribuições a respeito da estrutura química e morfológica desses sistemas, sendo
possível determinar além das principais relaxações, como a transição vítrea, fusão e
cristalização, relaxações de menor magnitude, como é o caso das relaxações secundárias
(ESPOSITO, 2012).
Nas análises de DMA a Tg foi visualizada no máximo da curva de fator de perda
(tan d), que é a medida da energia dissipada comparativamente com a energia
armazenada pelo material versus temperatura.
Nessa análise apenas os polímero obtidos com 0,5% e 1,0% de catalisador foram
investigados. Somente o polímero não purificado foi submetido a análise uma vez que o
equipamento exige dimensões exatas o que não foi possível de se obter com os
polímeros purificados.
As Figuras 6.13 e 6.14 apresentam os ensaios de DMA obtidos. De acordo com os
valores obtidos nos ensaios DMA a Tabela 6.7 foi construída.
Figura 6. 13 Ensaio de DMA para polímero 0,5%.
83
Figura 6. 14 Ensaio de DMA para polímero 1,0%.
Tabela 6. 7 Valores de Tg a partir da análise DMA.
Amostras Tg (°C)
0,5% 41,1
1,0% 56,8
Em nenhuma das amostras analisadas foi observado relaxações secundárias. Os
valores de Tg, diferentes dos valores obtidos por DSC, são decorrentes da maior
sensibilidade do DMA em relação ao DSC para determinação de transições.
6.4.1.7 Avaliação da Citotoxicidade pelo Método do MTT
O primeiro polímero a ser analisado com respeito a sua viabilidade celular foi o
polímero 0,5% não purificado e purificado. Pelo teste de MTT é possível quantificar o
numero de células vivas comparando seu resultado ao controle negativo de citotoxicidade
CNT. A análise foi realizada em triplicata e médias foram calculadas. Os valores de
absorbância para amostra analisada estão representados na forma de gráfico na Figura
6.15.
84
Figura 6. 15 Análise de citotoxicidade para as amostras do polímero obtidos com 0,5% de
catalisador não purificado (n.p) e purificado (p.) pelo método MTT.
De acordo com a Figura 6.15 foi possível confirmar que após as 24 horas o
polímero, com e sem processo de purificação, não apresentou caráter tóxico comparado
com o controle negativo de citotoxicidade. Esse primeiro teste confirmou que o material
produzido tem grande potencial para ser utilizado como biomaterial, porém são
necessários outros testes que garantam sua aplicação.
De acordo com esse resultado nessa etapa do trabalho, optou-se por realizar a
reação de polimerização do PLLA com o lactídeo produzido em laboratório nessas
mesmas condições de síntese, com 0,5% de catalisador. Os resultados dessa etapa
serão apresentados e discutidos no item 6.4.2 desse mesmo Capítulo.
O restante dos polímeros produzidos; 0,1%, 0,3%, 0,8% e 1,0 com e sem
purificação, foram enviados também para o Laboratório responsável por essas análises
porém, só puderam ser analisados depois de três meses do início dos testes com o
polímero 0,5% .
Durante a realização desses novos testes observou-se que o meio de cultura, logo
após ser adicionado os polímeros, teve sua coloração alterada. Os polímeros acidificaram
o meio, o que ocasionou a morte das células sendo considerados citotóxicos.
85
Essa acidificação provavelmente está relacionada ao tempo de utilização do
polímero, que se degrada formando ácido láctico (MINATA et al., 2013). Deve-se levar em
consideração que os fluidos no local do implante são constantemente renovados pelo
sistema circulatório e linfático eliminando os materiais de degradação e permitindo a
regularização do pH em valores mais adequados, o que é impossível ser reproduzido em
laboratório (JAHNO, 2005).
Para avaliar de fato, se essa acidificação era decorrência da degradação e não do
material em si, novos polímeros foram sintetizados. Utilizando-se as mesmas condições
de síntese e variando a concentração do catalisador em 0,1%, 0,3%, 0,5%, 0,8% e 1,0,
novos polímeros foram produzidos, purificados e avaliando em um intervalo de tempo de
10 dias.
Inicialmente, o teste escolhido para avaliar a citotoxicidade dos polímeros foi o
MTT que é um teste de menor custo comparado ao Live/Dead. As amostras foram
preparadas para essa análise, mas por conseqüência de algum erro ou reagente que não
funcionou, a leitura em termos de absorbância não pode ser realizada nem para os poços
onde estavam presentes os materiais poliméricos e nem para o controle positivo e
negativo de citotoxicidade.
Diante a necessidade de se confirmar o caráter tóxico dos polímeros sintetizados,
optou-se por utilizar a técnica Live/Dead e então, pode-se avaliar a quantidade de células
vivas/mortas nos meios cultivados na presença dos polímeros.
6.4.1.8 Live/Dead
Essa técnica pode ser usada tanto para qualificar quanto para quantificar as
células presentes no meio cultivado com o material. O primeiro polímero em estudo, 0,5%
foi analisado por essa técnica a fim de se obter imagens microscópicas de fluorescência.
86
Figura 6. 16 Análise Live/Dead do polímero por microscopia de fluorescência.
A Figura 6.16 mostra a semelhança da imagem do polímero em estudo com
controle negativo de citotoxicidade, confirmando seu caráter atóxico. O controle positivo,
correspondente as células não viáveis, são caracterizadas pela imagem em vermelho no
espectro de fluorescência.
Com a dificuldade em se avaliar a citotocixidade dos outros polímeros em estudos
pelo método MTT, essa análise acabou sendo solicitada.
A Figura 6.17 mostra o gráfico com os valores obtidos para os novos polímeros
sintetizados.
87
Figura 6. 17 Análise Live/Dead do polímero por microscopia de fluorescência.
Diferentemente do MTT, esse é um teste que relaciona o numero de células
mortas com o controle positivo de citotoxicidade. De acordo com os valores apresentados
na Figura 6.17, pode se afirmar que o polímero obtido com 0,1% de catalisador e 0,3%,
ambos sem processo de purificação, foram considerados tóxicos como consequência de
seu caráter ácido. Sabe-se com toda a caracterização apresentada dos polímeros até o
momento, que a baixa concentração de catalisador não foi satisfatória no processo de
síntese de PLLA nas condições estudadas. Traços de lactídeo que não regiram
completamente, provavelmente provocaram a acidificação do meio. Tanto para a amostra
0,1% e 0,3%, após processo de purificação, essa parcela de monômero é excluída e
portanto, o polímero deixa de ser considerado tóxico.
6.4.1.9 Investigação da Morfologia das Células por Microscopia Eletrônica de
Varredura (MEV)
Com a utilização da técnica de MEV foi possível avaliar a morfologia das células
no polímero. As microscopias obtidas são apresentadas na Figura 6.18.
88
PLLA 1,0% n.p. PLLA 1,0% n.p.
PLLA 0,8 % n.p PLLA 0,8% p.
PLLA O,3% p. PLLA 0,3% p.
Figura 6. 18 Microscopia de diferentes polímeros obtidos.
89
Nas microscopias obtidas para o PLLA 1,0% e 0,8% é notável a presença de
células espalhadas sobre a superfície do polímero. Na microscopia obtida para o PLLA
0,3% não foi encontrado agrupamento celular e somente uma ou outra célula isolada
pôde ser observada.
Sabe-se que para uma melhor adesão das células é desejável que a superfície do
material apresente rugosidade/poros que permitam uma maior proliferação. Mesmo estes
polímeros apresentando superfície lisa, pode-se dizer que houve uma afinidade entre as
células e o polímero permitindo assim, o espalhamento e sua proliferação.
Vale ressaltar que esses são estudos preliminares sobre a utilização desses
polímeros como biomaterial. Existem diversas técnicas de modificação de superfície e
dependendo de sua aplicação essas exigências podem ser obtidas (CHAIM et al., 2012;
FREED et al., 2009; BUDYANTO et al., 2009; MA, 2008; MELCHELS et al., 2010)
6.4.2 Resultados com Lactídeo Produzido em Laboratório
6.4.2.1 Cromatografia Gasosa Acoplada a Espectrometria de Massa (GC-MS)
Nas primeiras reações de obtenção de lactídeo foi possível observar que o
material produzido apresentava características do produto de interesse. Cristais bem
definidos foram produzidos, o que pôde ser observado logo após o término da reação.
Através da análise de GC-MS da amostra do produto obtido inicialmente,
constatou-se a existência de dois dos três isômeros do lactídeo: isômero L-lactídeo e o
meso-lactídeo, como pode ser observado nas Figuras 6.19 e 6.20.
Figura 6. 19 Espectro de massas do L-lactídeo obtido.
90
Figura 6. 20 Espectro de massas do meso-lactídeo.
Nenhum outro composto foi identificado nessa análise. Porém, como complemento
dessa técnica, a cromatografia gasosa com detector de ionização de chama (GC-FID) foi
utilizada para quantificar o lactídeo produzido.
6.4.2.2 Cromatografia Gasosa com Detector de Ionização de Chama (GC-FID)
Por GC-FID, determinou-se a porcentagem e a seletividade dos isômeros
formados na síntese do lactídeo, sendo o isômero L-lactídeo majoritário com 97,7 % e o
isômero meso com 2,3 % (Tabela 6.8). No cromatograma (Figura 6.21) não foi observado
a presença de nenhum outro composto, o que indicou uma alta pureza do lactídeo
sintetizado.
Figura 6. 21 Cromatograma (GC-FID) obtido da amostra de lactídeo.
91
Tabela 6. 8 Seletividade dos isômeros formados na produção do lactídeo.
Isômeros Área do pico %
L-Lactídeo 447,9707 97,6978
Meso-lactídeo 10,5795 2,3022
Total 458,5502 100
Para determinar a pureza do lactídeo que estava sendo produzido, construiu-se
uma curva de calibração a partir do lactídeo padrão da PURAC e foi então possível
quantificar o produto sintetizado. As sete amostras de lactídeo sintetizado em diferentes
condições de reação (Tabela 6.1) foram analisadas e os resultados estão apresentados
na Tabela 6.9.
Tabela 6. 9 Pureza dos isômeros formados na produção do lactídeo em diferentes condições
de reação.
Testes L-Lactídeo (%) Meso-Lactídeo (%) Total de Lactídeo
produzido (%)
1 73,16 0,96 74,12
2 94,10 1,58 95,68
3 92,65 _ 92,65
4 63,04 2,15 65,19
5 69,18 3,15 72,33
6 46,06 3,75 49,81
7 89,71 1,79 91,5
Pela Tabela 6.9 apresentada é possível observar que o L-lactídeo sintetizado foi
de alta pureza sendo o teste de numero dois, o que apresentou o melhor resultado.
Tomando como base esses valores, novas reações foram realizadas utilizando os
mesmos parâmetros do segundo teste (Tabela 6.2), na obtenção do lactídeo que foi
utilizado no processo de polimerização.
92
6.4.2.3 Espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)
A análise do espectro infravermelho da amostra da etapa de obtenção do lactídeo
em comparação com o Lactídeo da PURAC nos permite confirmar que houve a formação
do produto, verificando as coincidentes bandas de absorção característica do material
como observado na Figura 6.22. A Tabela 6.10 apresenta as atribuições referente às
bandas de absorção.
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Lactideo Padrao PURAC
Tra
nsm
itâ
ncia
(%
)
Comprimento de onda (cm-1)
Lactideo Sintetizado
Figura 6. 22 Espectro FTIR da amostra de lactídeo sintetizado e lactídeo padrão.
O polímero de PLLA obtido por abertura de anel a partir do lactídeo sintetizado em
laboratório foi também avaliado por essa técnica e os resultados mostram que o produto
foi obtido. A Figura 6.23 apresenta o espectro do PLLA obtido em comparação com o
PLLA padrão, que apresenta as bandas características para esse material já
mencionadas anteriormente.
93
Tabela 6. 10 Bandas de absorção do Lactídeo.
Bandas de absorção Lactídeo (cm-1)
Vibrações de valência do C-H do CH3
(assimétrica; simétrica)
2938,98;
2925;48
Vibrações de valência do C=O do COO 1727,90
Vibrações de flexão C-H do CH3
(simétrica; assimétrica)
1351,85;
1446,35
Vibrações de valência do COC no anel
(assimétrica; simétrica)
1232,29;
1081,37
Vibrações de valência do C-O do COO
(simétrica; assimétrica)
1043,30;
950,73
Vibração de alongamento do COO no
anel 931,45
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
% tra
nsm
ita
ncia
PLLA Lactideo laboratorio
Numero de Onda (cm-1)
PLLA Padrao
Figura 6. 23 Espectro FTIR do PLLA obtido com lactídeo em laboratório em comparação com
PLLA padrão.
94
6.4.2.4 Calorimetria Exploratória de Varredura (DSC)
As transições térmicas referentes ao polímero obtido nessa etapa do projeto foram
analisadas via DSC. A Figura 6.24 apresenta os termogramas obtidos para o polímero
com e sem purificação.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
PLLA n.p.
Tg
Flu
xo
de
Ca
lor
(mW
)
Tempo (s)
PLLA p.Tm
Tc
Figura 6. 24 Termograma DCS para o polímero obtido com lactídeo sintetizado.
Na Figura 6.24 a linha em negrito representa o polímero da síntese sem o
processo de purificação, e abaixo dele, o polímero purificado. Pode-se observar que o
polímero antes da purificação, representa um polímero amorfo devido a ausência do pico
de fusão no segundo aquecimento. Após ser purificado, as cadeias dos polímeros tomam
formas mais organizadas, uma vez que todos os traços indesejados são eliminados. O
produto é um polímero semicristalino, caracterizados pela presença de pico de fusão
(GROSSMAN, 2010). Para o polímero sem purificação observou-se uma temperatura de
transição vítrea (Tg) em 39,88 °C, coerente com os valores encontrados na literatura para
PLLA amorfo (ESPOSITO, 2012, LASPRILLA, 2011). No termograma após purificação
não foi possível visualizar a Tg devido à ausência de pico relacionada a essa transição. A
temperatura de cristalização (Tc), relacionada ao polímero com purificação, foi obtida em
95
116,15 °C e temperatura de fusão (Tm) em 118,24 °C. Comparado com valores obtidos
em amostra padrão de PLLA, e àquele obtido com o lactídeo comercial na mesma
concentração de catalisador 0,5%, esses valores encontram-se relativamente abaixo do
esperado, porém pode-se afirmar a eficiência do processo de reação onde foi possível
obter o polímero desejado através de uma rota de polimerização pouco explorada
partindo do ácido láctico como iniciador.
6.4.2.5 Cromatografia de Permeação em Gel (GPC)
Com a cromatografia de permeação em gel foi possível determinar a massa molar
do polímero obtido e comparar com os valores encontrados para o polímeros sintetizado
com lactídeo comercial. Os valores encontram-se na Tabela 6.11.
Tabela 6. 11 Valores de massa molar (Mn e MW) e polidispersão do polímeros obtidos com
lactídeo sintetizado.
Amostra Purificação Mn (g/mol) Mw (g/mol) IP
PLLA 0,5%
Lactídeo
sintetizado
NÃO 18.337 29.360 1,601
SIM 35.678 43.697 1,225
PLLA 0,5%
Lactídeo
comercial
NAO 49.603 80.153 1,616
SIM 52.603 86.93 1,652
Apesar de ter utilizado na síntese um lactídeo que apresentou supostamente 95%
de pureza, os resultados mostram valores diferentes daqueles obtidos com lactídeo
comercial. Deve-se levar em consideração que a reação de obtenção do lactídeo foi
conduzida nas mesmas condições experimentais daquela que promoveu um lactídeo
praticamente puro, porém, mesmo repetindo as mesmas condições experimentais, é difícil
se obter exatamente o mesmo produto. Dependendo do processo e questões
operacionais, os resultados podem ser divergentes. Contudo, a polimerização por
abertura de anel com o lactídeo sintetizada foi eficiente, mesmo apresentando valores
consideravelmente mais baixos para a massa molar.
96
Como era esperado, o processo de purificação no polímero aumentou
significativamente os valores de massa molar. Essa é um etapa simples que envolve
quantidade razoáveis de solvente, mas que dependendo da aplicação do biomaterial,
pode se tornar imprescindível.
6.4.2.6 Ângulo de contato
Valores de θ referentes ao ângulo de contato do polímero sintetizado pode ser
observado na Tabela 6.12.
Tabela 6. 12 Valores de ângulo de contato para amostras obtidas com lactídeo comercial e
sintetizado.
Amostra Purificação Ângulo de
contato θ (°)
PLLA 0,5%
Lactídeo
sintetizado
NÃO 68° ± 2
SIM 70° ± 2
PLLA 0,5%
Lactídeo
comercial
NÃO 90° ± 2
SIM 110° ± 2
Como conseqüência do valor mais baixo de Mw do polímero, a análise de ângulo
de contato permitiu confirmar sua tendência a molhabilidade. De acordo com a Tabela
6.12, tem-se que, de acordo com os valores de massa molar, os polímeros estão mais
suscetíveis a afinidade com a água, ou mais hidrofóbicos.
6.4.2.7 Avaliação da Citotoxicidade pelo Método do MTT
A avaliação do efeito tóxico do PLLA sintetizado com lactídeo produzido foi feita
através do método MTT. Como nos testes anteriores, ao se comparar os valores ao
controle negativo, é possível avaliar a viabilidade das células cultivadas na presença do
polímero. A Tabela 6.13 apresenta os valores obtidos em triplicata e a média calculada.
Para melhor visualização e discussão dos resultados, um gráfico de colunas foi construído
e está apresentado na Figura 6.25.
97
Tabela 6. 13 Dados de citotoxicidade para o PLLA obtido com lactídeo sintetizado.
Amostras Leitura de Absorbância Média
CPT 0,0386 0,0416 0,0404 0,0402
CNT 0,4754 0,8128 0,7071 0,6651
PLLA 0,5 n.p. 0,0419 0,0792 0,0486 0,05657
PLLA 0,5 p. 0,2653 0,3122 0,5059 0,3611
Figura 6. 25 Dados de citotoxicidade para o PLLA obtido com lactídeo sintetizado.
Os testes de citotoxicidade dos polímeros têm apresentado a mesma discussão
em todos os casos. Após processo de purificação são eliminados dos polímeros vestígio
ácidos e, portanto classificados como atóxico. Com relação à acidificação do meio pelo
ácido láctico proveniente na sua própria degradação, deve-se fazer um estudo de
investigação aprofundada para saber realmente até que ponto essa citotocixidade é
prejudicial para os tecidos humanos, uma vez que a degradação do PLLA no corpo
humano ocorre liberando ácido láctico, que é incorporado ao ciclo do acido carboxílico e
eliminado pelos pulmões como dióxido de carbono e água (JAHNO, 2005).
98
6.4.2.8 Investigação da Morfologia das Células por Microscopia Eletrônica de
Varredura (MEV)
A técnica de MEV foi utilizada com a finalidade de investigar a morfologia das
células no polímero que apresentou caráter não tóxico após 24 horas de cultivo. A Figura
6.26 apresenta a célula se multiplicando (esquerda) e a região de fratura do polímero
obtido (direita). Não pôde ser observadas regiões com espalhamento celular na análise de
MEV, apenas células isoladas foram identificadas.
Figura 6. 26 Microscopia de viabilidade celular e região de fratura do polímero sintetizado
com 0,5% de lactídeo sintetizado.
6.5 Conclusão
Nesse capítulo, a rota de polimerização por abertura de anel foi investigada. A
síntese do lactídeo foi explorada e seus resultados comparados ao lactídeo comercial da
PURAC. Foi confirmada alta pureza na sua obtenção.
Polímeros foram produzidos utilizando lactídeo comercial e também com o lactídeo
sintetizado em laboratório. Os resultados foram comparados entre si e com polímero
padrão de PLLA.
Polímeros com elevada massa molar foram obtidos com o lactídeo comercial
comparado ao polímero padrão de PLLA. O polímero obtido com o lactídeo sintetizado em
laboratório, por sua vez, apresentou-se com valor inferior de massa molar.
99
Analises de toxicidade nos polímeros revelam que, em decorrência de sua própria
degradação, pode haver liberação de ácido nesses polímeros que acidificam o meio de
cultura, ocasionando a morte das células.
Os polímeros sintetizados por essa via de obtenção de PLLA, fornecem produtos
com elevados valores de massa molar podendo ser aplicados em locais que exigem maior
resistência mecânica.
100
101
7. Determinação da Energia de Ativação e
Conversão da Reação de Polimerização por
Abertura de Anel em Massa do Poli (L-Ácido
Láctico) (PLLA) por DSC
7.1 Introdução
As técnicas de análises térmicas são amplamente usadas quando se deseja obter
informações sobre os processos físicos de fusão, cristalização e transição vítrea de
polímeros, bem como sobre processos químicos, como polimerização e degradação
(VYAZOVKIN, 2002).
Dentre as técnicas de análise térmica, a calorimetria exploratória diferencial (DSC)
tem sido amplamente empregada para avaliar parâmetros cinéticos, como energia de
ativação e conversão (MEELUA et al., 2012). Em processos ativados termicamente, a
cinética é comumente descrita segundo a equação da taxa de conversão em função do
tempo descrita abaixo (Equação 1), onde a análise da dependência de Ea com a
conversão ajuda não só a revelar a complexidade de um processo, mas também a ter
uma visão sobre o seu mecanismo (VYAZOVKIN, 1996, 2002, 2004, 2006, 2008; COSTA
et al., 1999; MACHADO E MATOS, 2003; VYAZOVKIN E SBIRRAZZUOLI, 2006;
VYAZOVKIN et al., 2011).
)()()(
feAfTkdt
dRT
Ea
(1)
onde é a extensão da reação (conversão), )(Tk é a constante de Arrhenius, )(f é o
modelo da reação, Ea é a energia de ativação (J/mol), R é a constante dos gases (8,314
J/mol K), T é a temperatura absoluta (K) e A é o fator pré-exponencial. A Equação 1 é
usada para descrever a cinética das reações tanto em condições isotérmicas quanto em
condições não isotérmicas (VYAZOVKIN, 1996, 2002, 2004, 2006, 2008). Geralmente,
temos que considerar o fato de que a Ea pode variar de acordo com a conversão, ou seja,
a energia de ativação é constante somente para uma determinada conversão
102
(VYAZOVKIN, 1996, 2002, 2004, 2006, 2008; METTLER-TOLEDO, 1999), análise térmica
isoconversional.
O método de análise térmica isoconversional está intimamente relacionado ao
método de modelo-livre (model-free kinetics), que revela a complexidade da reação como
uma dependência da Ea efetiva da extensão da reação ( ) ou da temperatura, sem
assumir qualquer forma particular do modelo de reação, usando esta dependência para
fazer previsões dos parâmetros cinéticos e para explorar os mecanismos de processos
térmicos (VYAZOVKIN, 2002, 2006, 2008). Para condições não isotérmicas, quando a
temperatura varia com o tempo, a uma taxa constante de aquecimento dtdT / , a
Equação 1 é representada por (Equação 2):
fe
A
dT
dRT
Ea
(2)
onde é a taxa de aquecimento. A Equação 2, em forma integral, pode ser expressa
como (Equação 3):
dTeA
f
dg
TRT
Ea
00
(3)
Os métodos isoconversionais oferecem uma maior exatidão na determinação da
cinética de reações, onde é necessário realizar uma série de medidas com diferentes
taxas de aquecimento. Para a utilização da cinética aplicada (simulação e plotagens de
conversão e isoconversão), a aproximação permite a avaliação da energia de ativação
sem a necessidade de conhecer o modelo cinético de reação, uma vez que as
informações necessárias para a cinética aplicada estão implicitamente incluídas nas
medições. Para diferentes taxas de aquecimento i e considerando este a uma
conversão constante, tem-se (Equação 4) (VYAZOVKIN, 1996, 2002, 2008; METTLER-
TOLEDO, 1999; VYAZOVKIN et al., 2011):
103
ii
iRT
EafA
dT
d
,,
lnln
(4)
onde o subscrito se refere ao valor relacionado para uma conversão dada e i para
uma taxa de aquecimento dada.
O método isoconversional identifica a dependência de Ea com para uma
reação, mas não origina o fator pré-exponencial e o modelo de reação. Assumindo que A
, Ea e o modelo cinético em relação a uma conversão dada, os parâmetros cinéticos são
os mesmos quando muda a temperatura, podem igualar-se as Equações 3 e 4 em relação
a uma dada conversão (Equações 5 e 6):
0)(RT
Ea
aa eAtg
(5)
dTeA
gT RT
Ea
0)(
(6)
onde é igualmente verdadeiro sob a condição isotérmica ( 0T constante) e não isotérmica
( constante). A solução simultânea das Equações 5 e 6 para t produz (Equação 7):
dTeetT RT
Ea
RT
Ea
0
1
0
(7)
onde T é um valor experimental da temperatura correspondente a uma conversão dada
para uma taxa de aquecimento . A Equação 7 permite calcular o tempo no qual uma
dada conversão pode ser atingida a uma determinada temperatura.
De modo semelhante, a Equação 6 correspondente a diferentes taxas de
aquecimento pode ser igualada para uma mesma conversão, conduzindo a (Equação 8):
104
011 0,
0001
dTedTeT
RT
EaT
RT
Ea
(8)
onde e T são valores experimentais. O 0,T encontrado como a solução da Equação
8, é a temperatura à qual uma dada conversão será atingida a uma taxa de aquecimento
arbitrária 0 .
Solucionado as Equações 7 e 8 para diferentes conversões, é possível predizer a
dependência de com t a uma temperatura arbitrária e/ou a dependência de com T a
uma determinada taxa de aquecimento. Cabe destacar que estas equações não
incorporam o modelo cinético e o fator pré-exponencial, não sendo necessária a
extrapolação de resultados experimentais para outro conjunto de condições
(VYAZOVKIN, 1996, 2002, 2004, 2006, 2008; METTLER-TOLEDO, 1999; BARBOSA,
2010).
Dentro deste conceito, foi proposto nesta etapa da pesquisa determinar a energia
de ativação aproximada da reação de polimerização em massa por abertura de anel
(ROP) do dímero cíclico lactídeo (monômero), usando como catalisador o octanoato de
estanho (Sn(Oct)2), por meio de análise isoconversional (não isotérmica) via DSC, com
base nos métodos de VYAZOVKIN (1996).
7.2 Desenvolvimento Experimental
7.2.1 Análises por DSC
Para determinação dos parâmetros cinéticos, Ea e α em função do tempo (t),
foram realizadas análises dinâmicas (análises não isotérmicas). Nessas análises,
amostras de lactídeo e octanoato de estanho (em excesso), com massa total variando
entre 18 e 20 mg, foram colocadas em um cadinho de alumínio, furados e fechados
hermeticamente, e submetidas a variações de temperaturas a diferentes taxas de
aquecimento, 5, 10 e 20 °C/min, sob atmosfera de nitrogênio (50 mL/min), para simular a
reação de ROP do PLLA. Conhecendo as temperaturas de fusão do lactídeo e de
105
polimerização por ROP estudada neste projeto (140 °C), foi determinada a faixa de
temperatura desse estudo: 25 a 180 °C.
Em seguida, o material foi então resfriado de 180 a 25 °C e submetido a um novo
aquecimento, a uma faixa de temperatura de 25 a 220 °C. Sendo esses dois ciclos de
variação de temperatura realizados a uma taxa controlada (10 °C/min).
O primeiro aquecimento foi realizado buscando obter informações sobre a reação
de polimerização em massa por ROP. O resfriamento foi necessário para limpar a história
térmica, referente ao primeiro aquecimento. Já com o segundo aquecimento, buscava-se
confirmar a possível reação de polimerização, identificando a Tg, Tc e Tm do material
polimerizado utilizando o DSC.
Para obter a energia de ativação da reação em massa por ROP do PLLA, análise
isoconversional (não isotérmica) com base nos métodos de Vyazovkin (model-free
kinetics) foi aplicada aos dados de DSC obtidos.
As análises foram realizadas em calorímetro DSC Mettler-Toledo, modelo 823e. O
software, STARe SW 11.00, do equipamento utilizado nesse estudo usa o model-free
kinetics baseado no modelo de VYAZOVKIN.
7.2.2 Cinética
A Figura 7.1 apresenta o perfil da curva dinâmica em função da temperatura,
referente ao 1° aquecimento, para diferentes taxas de aquecimento avaliadas, buscando
obter informações sobre a reação de ROP do PLLA catalisada por octanoato de estanho.
É possível observar a fusão do lactídeo (pico endotérmico) à temperatura de,
aproximadamente, 100 °C, seguido de uma reação exotérmica. Observa-se que, à medida
que se aumenta a taxa de aquecimento há um deslocamento dos picos endotérmico
(fusão do lactídeo) e exotérmico para temperaturas mais altas. Este comportamento é
justificado pelo fato de que quanto maior a taxa de aquecimento, maior a quantidade de
energia fornecida ao material em um curto espaço de tempo, diminuindo a capacidade de
distribuição uniforme de energia pela amostra. Supõe-se que a liberação de calor durante
a reação de ROP (pico exotérmico) deve-se à abertura do anel do dímero cíclico lactídeo,
conforme mecanismo apresentado na Figura 3.5, Capítulo 3. Segundo MEELUA e
colaboradores (2012), podemos também considerar que o aumento da taxa de
aquecimento conduz a um aumento da taxa de polimerização, indicado pelo aumento da
altura do pico.
106
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
-80
-60
-40
-20
0
20
Flu
xo
de
Ca
lor
(mW
)
T (° C)
20° C/min
10° C/min
5° C/min
Reaçao de ROP
Fusao do lactideo
Figura 7. 1 Perfil da curva dinâmica em função da temperatura para as diferentes taxas de
aquecimento estudadas.
A Figura 7.2 mostra a conversão da reação ROP do PLLA obtida usando o
software STARe SW 11.00. Pelo gráfico da Figura 7.2, observa-se que quanto menor a
taxa de aquecimento, maior o tempo em que o material permanece submetido à ação do
calor e melhor é a distribuição de energia térmica, favorecendo o início da reação de
polimerização em temperaturas mais baixas.
107
100 110 120 130 140 150 160 170 180
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Fra
ca
o d
e C
on
ve
rsa
o (
%)
T (° C)
5° C/min
10° C/min
20° C/min
Figura 7. 2 Conversão em função da temperatura para as diferentes taxas de aquecimento
estudadas.
A Figura 7.3 apresenta a Ea da reação em massa por ROP do PLLA calculada
pelo software STARe SW 11.00 em função da fração de conversão a partir dos dados da
curva de DSC obtida. Pode-se observar que quando a reação inicia há uma diminuição
relativa da Ea, a qual apresenta uma parcela relativamente linear em função da conversão
até aproximadamente 60% (conversão do monômero, lactídeo, em PLLA). A constância
da energia de ativação até esta parcela da reação é um indicativo de que o mecanismo de
reação supracitado é o único mecanismo de polimerização ocorrendo na reação.
MEELUA et al., (2012) observaram efeito semelhante para a polimerização em massa por
ROP da policaprolactona (PCL). O aumento da energia de ativação a partir de
aproximadamente 60% da conversão pode ser atribuída ao volume livre e a mobilidade
das espécies reativas disponíveis para continuidade da reação. A medida que as espécies
reativas são consumidas na reação, maior energia é necessária para dar continuidade ao
processo de polimerização (BARBOSA et al., 2010).
108
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
50000
100000
150000
200000
250000
EA
(K
J/m
ol)
Conversao (%)
Ea
Figura 7. 3 Energia de ativação calculada para a reação em massa por ROP do PLLA.
Ao determinar a Ea para as conversões diferentes, usando o software STARe SW
11.00, é possível determinar a conversão (α) em função do tempo (t) e/ou a dependência
da conversão com a temperatura. Na Figura 7.4 observa-se a conversão em função do
tempo para a amostra analisada, para diferentes temperaturas. A análise dos gráficos nos
permite concluir que quanto maior a temperatura de aquecimento, mais rápida a reação
ocorre.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
0
20
40
60
80
100
128 o
C
117 o
C
164 o
C176 o
C
152 o
C
140 o
C
Co
nve
rsa
o (
%)
Tempo (min)
Figura 7. 4 Conversão em função do tempo para diferentes temperaturas.
109
Aplicando a cinética isoconversional (Applied Kinetics: Iso-Conversion) é possível
correlacionar a dependência da conversão com o tempo (t) e a temperatura (T).
Analisando a Figura 7.5, observa-se que a conversão do monômero em PLLA inicia logo
que a atinge a temperatura favorável a reação e que em pouco tempo a conversão atinge
100%. É importante ressaltar que esta é uma conversão teórica.
120 130 140 150 160 170 180
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
t (m
in)
Temperatura ( oC)
10%
20%
30%
50%
75%
90%
100%
Figura 7. 5 Conversão em função do tempo e a temperatura.
Após o primeiro aquecimento, um resfriamento a taxa controlada (10 ºC/min) foi
realizado para limpar a história térmica referente ao processo de polimerização por ROP
do PLLA. Em seguida, um segundo aquecimento foi realizado para tentar obter
informações sobre Tg, Tc e Tm (Figura 7.6) do polímero obtido nas diferentes taxas de
aquecimento do 1º aquecimento. A Tabela 7.1 apresenta os valores obtidos.
110
0 50 100 150 200 250
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10F
luxo
de
Ca
lor
(mW
/mg
)
T (° C)
5° C/min
10° C/min
20° C/min
Figura 7. 6 Reações em diferentes taxas de aquecimento para o processo de polimerização
do PLLA por ROP.
Tabela 7. 1 Valores de Tg, Tc e Tm para os polímeros obtidos em diferentes taxas de
aquecimento.
Polímeros Tg (ºC) Tc (ºC) Tm (ºC)
Taxa 5 45,17 92,99 165,26
Taxa 10 41,18 88,59 157,37
Taxa 20 39,61 83, 82 156,85
De acordo com a Tabela 7.1 pode-se observar pequenos desvios nos valores
encontrados para Tg, Tc e Tm para cada uma das taxas de aquecimento utilizadas nas
análises. Como evidenciado na Figura 7.1, quanto maior a taxa de aquecimento, mais
rápida a reação ocorre, evidenciado pelos picos em temperatura mais baixas para esses
casos. Os valores relacionados a Tg, Tc e Tm, da mesma forma, se apresenta em
temperaturas menores, à medida em que se aumenta a taxa de aquecimento.
111
7.3 Conclusão
Diante das condições de análise, este é um estudo aproximado para determinação
de parâmetros cinéticos a partir da polimerização em massa por ROP usando a técnica de
DSC. Sabe-se que reações de polimerização são acompanhadas por análises térmicas,
porém nenhum estudo, até o momento, foi encontrado utilizando esta técnica de
determinação de parâmetros cinéticos especificamente para este tipo de polimerização do
PLLA. Portanto, um estudo mais aprofundado, aplicando também outros métodos
isoconversionais, é necessário para maiores conclusões.
112
113
8. Desenvolvimento, Fabricação e Reações em
Microrreator
8.1 Introdução
A tecnologia da microrreação é um importante método de intensificação de
processos que oferece inúmeros benefícios para a indústria de processos químicos. A
elevada razão área superficial-volume aumenta as taxas de transferência de massa e
energia melhorando assim, a eficiência e o desempenho dos microrreatores em
comparação com reatores convencionais (MARTINEZ ARIAS, 2010). Esse capítulo tem
como objetivo apresentar o microrreator desenvolvido e os resultados obtidos nas reações
de polimerizações do Poli (L-ácido-láctico) nesse micro sistema.
8.2 Desenvolvimento do Microrreator
A proposta para construir um microrreator capaz de realizar uma possível reação
de polimerização do PLLA foi baseada, inicialmente, em estudos de KUNDU et al., (2011).
Neste trabalho, os autores promoveram uma polimerização por abertura de anel da ε-
caprolactona e foi verificado que a polimerização em microrreator ocorreu mais
rapidamente e com maior massa molar em comparação com o uso de reatores em
batelada. A Figura 8.1 representa o microrreator utilizado por esses pesquisadores.
Figura 8. 1 Microrreator utilizado na polimerização por abertura de anel da Policoprolactona
(KUNDU et al., 2011).
114
Com o objetivo de utilizar a técnica de manufatura aditiva na construção do
microrreator, um protótipo foi construído. A técnica empregada foi a estereolitografica que
utiliza como matéria prima na impressão de seus materiais uma resina fotopolimerizável.
O equipamento utilizado na impressão do microdispositivo, da marca ALARIS30 e
fabricante OBJET, está instalado no Laboratório BIOFABRIS – Instituto Nacional de
Ciência & Tecnologia em Biofabricação da Unicamp.
Como ferramenta de trabalho na elaboração e projeto do microsistema foi utilizado
o software SolidWorks. A Figura 8.2 apresenta o modelo CAD do microrreator proposto.
Figura 8. 2 Modelo CAD do microrreator.
A partir do modelo virtual CAD foi possível se imprimir tridimensional do
microdispositivo. A Figura 8.3 apresenta o protótipo de microrreator construído.
115
Figura 8. 3 Protótipo de microrreator.
Tendo em vista que as condições de reação devem ser cuidadosamente revistas
antes da transferência de um reator convencional para um microrreator, as duas principais
rotas de polimerização do PLLA foram estudadas. Após ter conhecimento mais
aprofundado sobre o processo de síntese, os parâmetros de reação e as condições
experimentais, pôde-se dar continuidade ao estudo em microrreator.
As rotas de polimerização do PLLA estudadas em reator convencional foram a
policondensação direta e por abertura de anel. Após estabelecidos os parâmetros de
reação e as particularidades de cada uma dessas vias de síntese, optou-se por
desenvolver um microrreator capaz de realizar a polimerização pela rota de
policondensação direta.
Alguns motivos levaram a essa escolha e o principal deles foi a alta viscosidade
dos polímeros gerados pela rota de abertura de anel. WILMS et al., (2008) afirma que a
formação de sólidos ou substâncias altamente viscosas podem dificultar reações químicas
nestes sistemas. Entupimento de microcanais devido a um aumento da viscosidade do
produto, partículas de poeira, contaminantes ou produtos precipitados podem conduzir a
um rápido aumento interno de pressão e subsequente interrupção de fluxo contínuo.
Nas reações realizadas por abertura de anel, o polímero obtido na etapa final de
reação, em uma temperatura de 140 °C é um sólido rígido devido a sua elevada massa
molar. Utilizar um sistema de microcanais nesse tipo de reação ocasionaria o
entupimento do sistema, tornando inviável o processo. Já nas reações de polimerização
por policondensação direta, o produto final da reação, quando em altas temperaturas
116
(180°C), é um líquido de viscosidade baixa e somente quando é resfriado à temperatura
ambiente, passa a seu estado sólido.
Um outro motivo que levou à escolha de realizar a rota de polimerização por
policondensação direta, foi devido ao fato que, na polimerização por abertura de anel o
monômero de partidao (lactídeo) possui a forma de cristais, e na alimentação do
microsistema, teria que ser adaptada uma fonte de calor que pudesse levar a fusão do
material (100 °C) antes de sua entrada no dispositivo. Na polimerização por
policondensação direta, o ponto de partida é o ácido láctico (85%).
Dando continuidade ao estudo de síntese do PLLA em microrreator, foi possível
prever que o microsistema proposto inicialmente não seria viável no processo de
polimerização. A reação do poli (L-ácido láctico) por policondensação é realizada em alta
temperatura (180 °C) e a resina, material utilizado na impressão do dispositivo por este
equipamento, não é recomendada para temperaturas elevadas. MILLS et al., (2007)
afirma que a maior desvantagem desses dispositivos fabricados por estereolitografia é a
máxima temperatura que pode ser usada sem induzir a fundição do material com o
consecutivo arraste que normalmente estão abaixo de 200 °C.
Outra dificuldade encontrada em realizar a reação de polimerização do PLLA no
tipo de sistema proposto, foi com relação ao comprimento do canal, que está diretamente
relacionado com o tempo de reação. Reações de polimerização, em geral, ocorrem em
intervalos de tempo elevados, e no caso da síntese do PLLA, a reação não seria
concluída apenas nesse percurso, não ocorrendo então, a polimerização.
Inicialmente, pensou-se em um dispositivo com duas entradas, como pôde-se
observar na Figura 8.2; uma entrada para o ácido láctico e outra para o catalisador. No
desenvolver da pesquisa, estudando os processos de polimerização em microrreatores,
optou-se por um dispositivo que tivesse apenas uma entrada. Assim, o acido láctico ao
ser introduzido no canal do microrreator já estaria em contato com o catalisador.
Levando-se em conta essas considerações, a rota de polimerizaçao do PLLA pôde
então ser definida e o projeto de microrreator elaborado. Um novo modelo de microrreator
foi proposto. O projeto foi gerado no software SolidWorks e as imagens são apresentadas
na Figuras 8.4 e 8.5.
117
Figura 8. 4 Parte superior do microrreator.
Figura 8. 5 Parte inferior do microrreator.
Na Figura 8.4 pode-se observar que o novo dispositivo proposto apresenta um
maior número de canais e apenas uma entrada. Suas dimensões são 220mm x 250mmm.
O comprimento do canal é de 8 metros com diâmetro de 2mm. A Figura 8.5, parte inferior
do microrreator, mostra o espaço correspondente à resistência tubular flexível do tipo
minifold que permitirá ao sistema o controle da temperatura durante a reação.
Com a necessidade de fazer um dispositivo altamente resistente à temperatura,
optou-se por utilizar aço inox em sua fabricação e a técnica escolhida na fabricação do
microrreator foi a usinagem mecânica. Nessa técnica, a partir de um comando
computadorizado são feitos cortes na peça bruta para se obter a peça desejada. A
fabricação do microrreator foi realizada na empresa VALCAMP localizada em Barão
Geraldo/CAMPINAS- SP
118
A Figura 8.6 apresenta o microrreator fabricado. Pode se observar que nessa
figura, a resistência já está instalada e o sistema fechado com uma placa móvel contendo
16 parafusos.
Figura 8. 6 Microrreator desenvolvido e fabricado por usinagem.
8.3 Reações de Polimerização em Microrreator
Definida a rota de polimerização, passou-se à etapa seguinte relacionada à
montagem do sistema de reação. A resistência foi conectada a um controlador de
temperatura. Entre a tampa traseira e o microrreator foi conectado o termopar que
permitiu o controle rigoroso da temperatura durante toda a reação. Na entrada e saída do
sistema, uma conexão foi utilizada permitindo o fluxo de ácido láctico. A Figura 8.7
apresenta o sistema montado com essas primeiras adaptações.
119
Figura 8. 7 Início da montagem do microrreator.
Na entrada do microrreator foi instalada uma mangueira de silicone conectada a
uma seringa de 60 mL. A vazão de entrada do ácido láctico pôde ser controlada por uma
bomba de fácil manuseio e regulagem. Na saída do microrreator, apenas uma placa de
teflon foi utilizada para coletar o produto da reação. O sistema completo montado é
apresentado na Figura 8.8.
Figura 8. 8 Sistema completo para a reação em microrreator.
120
O ácido láctico utilizado nas sínteses durante todo o projeto foi da marca SYNTH
com 85% de pureza. Como esse ácido continha 15% em massa de água, foi necessário
realizar previamente sua desidratação a fim de otimizar o processo de reação no
microrreator. Essa etapa de desidratação foi realizada no mesmo sistema e nas mesmas
condições experimentais de policondensação direta em reator convencional mencionado
anteriormente (Capítulo 5 item 5.2). A Figura 8.9 mostra o ácido láctico logo após o
processo de destilação. Pôde-se observar pela Figura 8.9, a cor marrom acentuada do
ácido concentrado.
Figura 8. 9 Ácido láctico após desidratação.
Após realizada a desidratação, o ácido láctico foi manualmente misturado ao
catalisador octanoato de estanho (1%w). Essa mistura foi transferida para a seringa
utilizada para a injeção do sistema que foi posicionada à bomba. A porcentagem de
catalisador e a temperatura (185 °C) utilizadas no sistema foram inicialmente mantidas as
mesmas das reações realizadas em reator convencional. Vale ressaltar que algumas
condições da síntese de policondensação direta em reator convencional não puderam ser
mantidas nesse sistema em microrreator. Gás de nitrogênio e vácuo não foram utilizados
durante as reações. Em todas as reações, 40 mL de ácido láctico foram utilizados.
Dando-se início às reações, a vazão de ácido láctico foi ajustada para o valor
máximo permitido pela bomba, 100 mL/hora. O primeiro produto obtido na saída do
microrreator foi um líquido de coloração verde clara e com baixa viscosidade (Figura
8.10).
121
Figura 8. 10 Primeiro produto de reação em microrreator.
Observando-se a Figura 8.10, fica evidente o início do processo de polimerização.
A coloração do ácido láctico na entrada do microrreator passou de marrom escuro para
verde claro, como era observado nas reações em reator convencional. Porém, o produto
obtido não apresentou característica de polímero, devido a sua baixa viscosidade,
indicando que, o tempo em contato no microrreator não foi suficiente para ocorrer a
reação completa do ácido láctico. A vazão do sistema foi então reajustada e novos
produtos obtidos, que podem ser observados na Figura 8.11.
Figura 8. 11 Produtos obtidos com vazão de 80 mL/hora (esquerda) e 70 mL/hora (direita).
122
Analisando os produtos gerados, foi possível observar que diminuindo a vazão do
ácido láctico na entrada do microrreator, ou seja, aumentando o tempo de residência
desse mesmo ácido nos canais, a reação era favorecida. Um aumento significativo na
viscosidade do produto pôde ser observada a cada reação. Outros testes foram
realizados variando também a temperatura de reação entre 170 a 200 °C mas nenhuma
mudança significativa na viscosidade do polímero foi observada. A concentração de
catalisador não foi variada, uma vez que, o objetivo dessa etapa do projeto era avaliar a
eficiência do microrretor na reação de polimerização do ácido láctico e comparar com o
produto gerado na síntese em reator convencional. A temperatura novamente foi fixada a
185 °C e a vazão do sistema programada para 20 mL/hora. O polímero gerado é
apresentado na Figura 8.12.
Figura 8. 12 Polímero obtido com vazão de 20 mL/hora.
Muito diferente dos resultados anteriores, nessas últimas condições testadas foi
possível obter o polímero de PLLA com características desejadas e próximas as obtidas
em reator convencional. Outras reações diminuindo ainda mais a vazão do sistema para
10 mL/hora e posteriormente 5 mL/hora resultaram em materiais muito semelhantes a
esse apresentado na Figura 8.12, mostrando que, nesse momento, mudanças na vazão
não interfeririam mais nos produtos gerados. Um fator importante a destacar foi a
ausência do vácuo durante todo o processo de reação no microrreator. Provavelmente, se
um sistema à vácuo estivesse adaptado ao sistema de microrreator, essas últimas
reações poderiam fornecer resultados ainda melhores removendo a água formada que
desfavorece a reação.
123
8.4 Resultados da Reação em Microrreator
O polímero obtido foi purificado nas mesmas condições já apresentada
anteriormente, utilizando clorofórmio e álcool etílico. Seus produtos foram caracterizados
e comparados com os resultados já apresentados do PLLA padrão e também da síntese
anterior de policondensação direta.
A Tabela 8.1 resume as condições experimentais para a reação que forneceu o
melhor resultado da síntese de PLLA em microrreator.
Tabela 8. 1 Condições experimentais de reação em microrreator.
Polímero em
Microrreator
Temperatura
(°C)
Concentração
de catalisador
(%w)
Vazão
(mL/hora) Vácuo/N2
PLLA 185 1 20 _
8.4.1 Espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)
Análise de espectroscopia FTIR foi realizada para determinar os grupos funcionais
e comprovar a formação do polímero. Na Figura 8.13 apresentam-se os espectros do
polímero padrão de PLLA e do polímero obtido em microrreator, e a Tabela 8.2 mostra as
atribuições dos espectros.
124
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000
PLLA padrao
% T
ran
sm
itâ
ncia
Numero de onda (cm-1)
PLLA microrreator
Figura 8. 13 Espectro FTIR obtidos para o PLLA padrão e o PLLA em microrreator.
Tabela 8. 2 Bandas de absorção do PLLA padrão e em microrreator.
Bandas de absorção (cm-1) PLLA padrão PLLA microrreator
Vibrações de valência do C-H do CH3
(simétrica; assimétrica)
2999,47;
2948,81
2987,51;
2936,84
Vibrações de valência do C=O do COO 1754 1748,1
Vibrações de flexão C-H do CH3
(simétrica; assimétrica)
1387,86;
1452
1286,26;
1345,81
Vibrações de valência do C-O do COO
(simétrica; assimétrica)
1130,42;
1044,92
1114,53;
1030,14
Vibração de alongamento do COO 872,98 865,76
Analisando-se a Tabela 8.2 é possível observar a semelhança entre os espectros
obtidos para o PLLA padrão e o PLLA em microrreator, podendo afirmar que ouve a
formação do polímero. Essas atribuições são análogas às encontradas para o PLLA
obtido por policondensação em reator convencional e também às encontradas na
literatura (JAHNO et al.; 2005; MOTTA & DUEK, 2006; NIKOLIC et al., 2010; LASPRILLA,
2011; SIQUEIRA, 2011).
125
8.4.2 Calorimetria Exploratoria Diferencial (DSC)
Análises de DSC foram realizadas no polímero sem e com purificação para
verificar as transições térmicas desses materiais. Essa análise foi realizada em três
etapas: Primeiro aquecimento; resfriamento e segundo aquecimento (Figura 8.14).
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
PLLA nao purificado
Tg
Flu
xo
de
Ca
lor
(mW
/mg
)
Tempo (s)
PLLA purificado
Tc
Tm
Figura 8. 14 Termograma de DSC para o polímero antes e após purificação.
Pode-se observar nos termogramas a importância do processo de purificação. O
polímero sem purificação passou de um material amorfo para semicristalino, caracterizado
pelo pico de fusão encontrado em uma Tm igual a 125,87 °C. Como conseqüência da
formação dos cristais no polímero após processo de purificação, a temperatura de
cristalização pode ser observada em 115,71 °C com grau de cristalização de 40,53%. A
temperatura de transição vítrea (Tg) foi verificada apenas no termograma antes da
purificação em 31,54 °C.
LASPRILLA (2011) afirma que o grau de cristalização e a temperatura de fusão
(Tm), bem como a temperatura de transição vítrea (Tg) dos polímeros, estão diretamente
relacionados à massa molar que estes apresentam. O polímero amorfo não possui
domínios cristalinos, sendo um material com propriedades mecânicas significativamente
126
menores quando comparado ao semicristalino. Sendo assim, o PLLA semicristalino tem
temperaturas de transição vítrea e de fusão mais elevadas do que o PLLA amorfo.
Os valores encontrados para a síntese em reator convencional e em microrreator
estão apresentados na Tabela 8.3. Pode-se observar que os valores estão muito
próximos uns aos outros, o que confirma a eficiência de reação no microrreator proposto.
Os baixos valores de Tg e Tm encontrados estão de acordo com a literatura para
polímeros obtidos pela rota de polimerização por policondensação direta (LASPRILLA,
2011).
Tabela 8. 3 Comparação entre transições térmicas do PLLA em diferentes reações.
PLLA de
policondensação Purificação Tg (°C) Tm (°C) Tc (°C) Td (°C)
Reator
convencional
NÃO 33,68 _ _ 332,29
SIM _ 126, 39 119,50 294,85
Microrreator NÃO 29,54 _ _ 299,95
SIM _ 125,87 115,71 291,84
8.4.3 Cromatografia de Permeação em Gel (GPC)
A distribuição da massa molar foi determinada pela técnica de GPC. Com essa
análise foram obtidas a massa molar numérica média (Mn), a massa molar ponderal
média (Mw) e o índice de polidispersação (IP). Os resultados se encontram na Tabela 8.4.
Para efeito comparativo, esses resultados foram colocados também na forma de gráfico
em colunas para uma melhor visualização e discussão de seus resultados (Figura 8.15).
Tabela 8. 4 Valores de massa molar (Mn e Mw) e polidispersão dos polímeros obtidos.
PLLA de
policondensação Purificação Mn (g/mol) Mw (g/mol) IP
Reator
convencional
NÃO 1.199 2.134 1,779
SIM 2.281 3.404 1,492
Microrreator NÃO 1.342 1.836 1,368
SIM 1.994 2.416 1,212
127
Figura 8. 15 Gráfico comparativo dos valores de massa molar dos polímeros.
Analisando os resultados foi possível observar mais uma vez a semelhança entre
os polímeros obtidos. Valores muito próximos de massa molar foram encontrados para os
dois casos em estudo comprovando a eficiência do processo de microrreação. Na reação
em reator convencional a massa molar encontrada foi de 2.134 g/mol e em microrreator
1.836 g/mol. Ao passar pelo processo de purificação um ganho significativo em termos de
valores de massa molar para esses polímeros é obtido passando para 3.404 g/mol em
reator convencional e para 2.416 g/mol em microrreator. Nota-se que o ganho, após
purificação, foi maior para o polímero em reator convencional. A diferença entre esses
valores pode estar relacionada com a maneira como foi conduzida essa etapa de
purificação e/ou a quantidade de reagente utilizada. Foi possível observar também que
nas duas reações ocorreram uma redução no valor de IP após purificação que reflete na
distribuição mais uniforme das cadeias no polímero e na eficiência do processo de
purificação.
2134
1836
3404
2416
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Reator convencional Microrreator
Mw
(g/
mo
l)
nao Purificado purificado
128
Existem polímeros de PLLA disponíveis para comercialização na escala de Mw de
2.000 g/mol a 300.000 g/mol, sendo os polímeros de massas molares baixas utilizados
para matrizes de liberação controlada de drogas e de massas molares elevadas, são
utilizados para a reparos ósseos (JAHNO, 2005).
Os dados obtidos nas duas reações estudadas nos forneceram polímeros com
possíveis aplicações biomédicas. No caso dos produtos obtidos nessa etapa do projeto,
sua aplicação está voltada para dispositivos de liberação controlada de drogas devido ao
seu baixo valor de massa molar.
NIJENHUIS (1995) trabalhou com a síntese do PLLA pela rota de policondensação
direta a partir do ácido láctico e a ordem de grandeza máxima para o polímero obtida por
ele foi de 104. A baixa massa molar obtida nessas reações em reator convencional e
microrreator provavelmente deve estar relacionada ao processo de despolimerização do
pré-polímero em função de alguma quantidade residual de água. JAHNO (2005) afirma
que para se obter polímeros de alta massa molar é necessário que a reação seja feita na
ausência de água. Mesmo com a utilização de vácuo e N2 na reação em reator
convencional, o melhor produto obtido foi um polímero com massa molar de 3.404 g/mol.
Diante disso, pode-se afirmar que o microrreator proposto e viável para o processo de
polimerização do PLLA, mas resultados ainda melhores relacionados à massa molar dos
polímeros seriam possíveis se nele fosse adaptado um sistema a vácuo.
8.4.4 Ângulo de Contato
A análise de ângulo de contato foi realizada para avaliar a propriedade de
molhabilidade dos polímeros sintetizados. O método utilizado para a medida do ângulo de
contato foi o método da gota séssil que consiste na medida do ângulo, θ, de uma gota de
um líquido de energia superficial conhecida, depositada sobre a superfície do sólido a ser
caracterizado (SENA, 2011). O valor do θ pode variar entre 0 e 180° . Quando θ = 0°, o
líquido molha a superfície do sólido completamente e espalha-se livremente sobre a
superfície a uma taxa dependente da viscosidade do líquido e da rugosidade da superfície
sendo caracterizado como hidrofílico. Líquidos que molham a superfície fazendo θ
próximo de 180° são considerados hidrofóbicos (SENA, 2011).
A Tabela 8.5 apresenta os valores obtidos por essa técnica em comparação com
os polímeros da polimerização em reator convencional.
129
Tabela 8. 5 Valores de ângulos de contato para os polímeros obtidos.
PLLA de
policondensação Purificação Ângulo de contato (θ)
Reator
convencional
NÃO 56° ± 2
SIM 58° ± 2
Microrreator NÃO 56° ± 2
SIM 48° ± 2
Os resultamos mostram que os polímeros obtidos para as duas rotas apresentam
baixo valor de θ referente a materiais hidrofílicos. Pôde ser observada durante a análise a
maneira como a superfície do polímero absorveu a gota de água depositada sobre ela.
Esse parâmetro é de fundamental importância quando relacionamos ao destino a que
esses materiais serão tomados. Para a utilização em dispositivos de liberação controlada
de drogas, essa característica é um atrativo para esse tipo de aplicação, uma vez que a
absorção de água favorece sua aplicação. SIQUEIRA (2011) afirma também que a
degradação mais rápida do polímero amorfo o torna atrativo para sistemas de liberação
de drogas. Outra consideração importante a fazer é sobre a relação entre hidrofilicidade e
adesão celular. BARBANTE et al., (2005) relata que substratos mais porosos tornam-se
mais hidrofílicos e interagem mais intensamente com as células, facilitando sua adesão e
produção de matriz extracelular.
Para cada tipo de polímero obtido, um destino diferente pode ser dado
dependendo das características apresentada por eles. Essas condições devem ser
cuidadosamente revistas antes de sua aplicação e utilização.
8.4.5 Avaliação da Citotoxicidade pelo Método do MTT
A partir dos valores obtidos pelo ensaio de viabilidade celular das células
fibroblastos cultivadas na presença dos polímeros obtidos em microrreator (purificado e
não purificado) foi possível acessar o número de células metabolicamente ativas para
cada amostra e compará-las ao CNT. O número de células viáveis foi determinado a partir
da quantificação da concentração do sal de MTT de células ativas por meio da leitura de
130
absorbância. Essa análise foi realizada em triplicata e as médias foram calculadas
(Tabela 8.6).
Tabela 8. 6 Dados da citotoxicidade pelo ensaio de viabilidade celular com método do MTT
para as amostras de PLLA obtidos em microrreator.
Amostras Leitura de Absorbância Média
CPT 0,0386 0,0416 0,0404 0,0402
CNT 0,4754 0,8128 0,7071 0,6651
PLLA não
purificado 0,0538 0,0508 0,0484 0,051
PLLA
Purificado 0,3733 0,4972 0,4782 0,449567
De acordo com os dados quantificados pela leitura de absorbância o polímero sem
o processo de purificação apresentou-se tóxico provavelmente devido ao seu caráter
ácido de vestígios de ácido láctico que provavelmente não reagiu. Para o polímero
purificado não foram observadas variações significativas quando comparados ao CNT
(Figura 8.16). Os resultados obtidos indicam que o polímero de PLLA após etapa de
purificação do material não interferem na proliferação, crescimento e viabilidade das
células, pois as amostras apresentaram resultados semelhantes ao CNT, destacadas em
negrito. Estes resultados demonstram que a amostra, após processo de purificação, não
libera elementos tóxicos no meio de cultura devido ao comportamento semelhante ao
CNT, atóxico. Esses resultados mostram que o polímero de PLLA obtido em microrreator,
após processo de purificação e eliminação de traços de ácido láctico, pode ser utilizado
como dispositivo biomédico. Esse resultado confirma a eficiência do processo de
microrreação, que possibilitou gerar um produto compatível e não tóxico para células
vivas.
131
Figura 8. 16 Análise de citotoxicidade para as amostras obtidas em microrreator pelo
método MTT.
8.4.6 Investigação da Morfologia das Células por Microscopia Eletrônica de
Varredura (MEV)
A técnica de MEV foi utilizada com a finalidade de investigar a morfologia das
células no polímero que apresentou caráter não tóxico após 24 horas de cultivo. Nas
micrografias eletrônicas das células é possível observar o aspecto fibroblastóide
característico das células. Células mais achatadas (Figura 8.17A e Figura 8.17B) e com
morfologia irregular aderida a superfície do polímero (Figura 8.17C) podem ser
observadas. Não foram verificadas nessa amostra pontes citoplasmáticas entre as
células. Para avaliar o prolongamento e migração celular sugere-se um estudo mais
aprofundado com o cultivo celular no polímero em diferentes intervalos de tempo.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
CPT CNT Nao Purificado Purificado
Ab
sorb
ânci
a
Amostras
132
Figura 8. 17 Microscopia eletrônica de varredura nas superfícies do polímero.
8.5 Conclusão
Após se ter conhecimento sobre os parâmetros de reação do PLLA, suas rotas de
polimerização e condições, foi possível projetar em um microrreator que pudesse ser
capaz de realizar a polimerização do PLLA.
A rota de estudo foi escolhida, a policondensação direta, e um microdispositivo
proposto. A fim de ter conhecimento mais profundo sobre as técnicas de manufatura
aditiva, um protótipo do microrreator foi fabricado.
Diante de algumas dificuldades encontradas tanto na geometria como no material
utilizado, modificações foram propostas.
O novo microrreator foi desenvolvido em aço inox por um processo de usinagem
mecânica.
133
O sistema foi adaptado e as reações foram conduzidas no microrreator. Várias
reações foram testadas até que se obtivesse um polímero com características desejadas.
Resultados mostraram o grande potencial do dispositivo desenvolvido no processo
de polimerização proposto, a policondensação. O produto obtido foi comparado com o
resultado da reação conduzida em reator de batelada. Pôde-se confirmar a grande
semelhança entre eles, mesmo o microrreator trabalhando na ausência de vácuo e
atmosfera de N2. A água gerada durante o processo de polimerização pode ter
influenciado no processo produzindo um polímero de baixa massa molar. Resultados
ainda melhores podem ser obtidos se ajustes forem feitos nesse sistema.
A análise de citotoxicidade do polímero obtido após processo de purificação
confirmou sua possível utilização na área médica como dispositivo de liberação
controlada de droga.
Contudo, pode-se afirmar que, o microrreator desenvolvido apresenta-se com uma
vantagem nas reações envolvendo polímeros de PLLA pela rota de policondensação.
Esses microsistemas podem ser utilizados em paralelo na geração de produtos o que
elimina o tempo gasto em reator convencionas de bancada. Essa é uma dificuldade que
afeta diretamente as indústrias e que pode ser superada com a utilização de
microrreatores.
134
135
9. Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
Como trabalhos futuros sugerem-se:
Análise das propriedades mecânicas dos polímeros obtidos para definir a
aplicação médica;
Estudos do tempo de degradação desses polímeros;
Estudar a cinética da reação de PLLA;
Modificações de superfície nos polímeros através de tratamentos físicos ou
químicos;
Além do teste de citotoxicidade, explorar outros testes in vitro para avaliar
crescimento celular e posterior testes in vivo;
Adaptação de um sistema a vácuo no microrreator desenvolvido para
avaliar seu comportamento na distribuição de massa molar dos polímeros.
136
137
10. Referências Bibliográficas
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