desenvolvimento e caracterização de biopolielectrólitos

Inês Pires Moedas de Almeida Barroso

Desenvolvimento e caracterização de biopolielectrólitosfuncionalizados com líquidos iónicos para libertação

transdérmica de fármacos

Dissertação apresentada à Universidade de

Coimbra para cumprimento dos requisitos

necessários à obtenção do grau de Mestre em

Engenharia Biomédica

Supervisores:Dra. Ana Maria Antunes DiasDr. Hermínio José Cipriano de Sousa

Coimbra, 2015

Este trabalho foi desenvolvido em colaboração com:

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Agradecimentos

A realização deste trabalho não teria sido possível sem o apoio de diversas pessoasao longo dos últimos cinco anos.

Em primeiro lugar gostaria de agradecer à minha família por todo o apoio, moti-vação e carinho. Em particular, aos meus pais pela componente genética concedida,educação e constante estímulo pelo conhecimento em geral; aos meus irmãos, Rogérioe Manel, pela partilha de conselhos e experiências e, obviamente pelas sessões de �es-pancamento� e à avó Maria Ana pelo desempenho incrível do papel de super avó, oqual teve grande efeito na minha criatividade e imaginação.

Aos meus amigos de �sempre� que apesar de não estarem presentes, sempre o esti-veram.

Às Iniciativas, Inês P. Lopes e Miriam Seoane, por me terem recebido, orientadoe apoiado nesta cidade, muito para além do início. Aos Excelentíssimos ComissáriosMariana Pastel Nogueira, Diogo Digax Martins, Heloísa Soldado Sobral, Carolina Sil-veira, Diogo L.J. Passadouro, Bruna Nogueira e Daniel Cassi Osório, pela entreajuda,amizade e suporte constante ao longo dos últimos 5 anos. Ao Carlos Bovino da Silvapelo todo o apoio e ocasional serviço de babysitting na recta �nal do curso.

À Estudantina Feminina de Coimbra da Secção de Fado da Associação Académicade Coimbra, por todos os momentos, vivências e diversidade de pessoas que me permitiuconhecer e, principalmente, por me permitir recordar Coimbra não apenas como o localonde estudei.

À Doutora Ana Dias e ao Professor Doutor Hermínio Sousa pela orientação, partilhade informação e ajuda prestada e aos meus colegas de laboratório e à Doutora MaraBraga pela ajuda durante o trabalho laboratorial.

Por último, a todos aqueles que não foram aqui mencionados e que sabem ter tidoum papel importante na conclusão desta etapa da minha vida, muito obrigada!

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Resumo

A constante necessidade de melhorar a qualidade de vida do ser humano tem con-duzido a um aumento do desenvolvimento de sistemas biomédicos por parte da comu-nidade académica e da indústria. Este trabalho visa desenvolver e caracterizar novossistemas poliméricos electroactivos com capacidade de estímulo-resposta para a liber-tação transdérmica de fármacos por aplicação de um estímulo eléctrico, através damodi�cação de polímeros base natural com líquidos iónicos (LIs). O agar, um polie-lectrólito aniónico, é um dos biopolímeros mais estudados devido à sua capacidade degeli�cação mesmo a baixas concentrações. Por outro lado, os LIs são materiais queapresentam uma elevada condutividade iónica e estabilidade térmica, não sendo volá-teis nem in�amáveis. Estas características fazem com que sejam alvo de muita atençãopor parte da comunidade académica e torna-os particularmente atractivos para o de-senvolvimento de sistemas electroquímicos.

Neste trabalho, procedeu-se à modi�cação química do agar, dotando-o de cargapermanente e independente do pH, através da introdução na sua estrutura do catiãoreactivo do LI, o imidazólio funcionalizado com grupo vinílico. Esta modi�cação foirealizada em duas etapas: na primeira etapa, pretendia-se conferir ligações vinílicasao biopolímero, através da reacção dos seus grupos hidroxilo com o glicidil metacri-lato (GMA). A metacrilação visou dotar o polímero modi�cado de um centro reactivoinsaturado que posteriormente seria utilizado para ligar um LI vinílico por ligação co-valente, tendo sido con�rmada por espectroscopia de infravermelho por transformadade fourier (FTIR) e espectroscopia de ressonância magnética nuclear de hidrogénio(H-RMN); na segunda etapa pretendeu-se ligar covalentemente LI à matriz poliméricaatravés de polimerização radicalar, dotando assim o polímero �nal de carga e impe-dindo a lixiviação do LI. O estudo comparativo do efeito do LI na estrutura resultantee nas propriedades dos �lmes obtidos foi feito através da análise das propriedades dos�lmes com e sem adição de um agente reticulante e antes e após a lavagem dos mes-mos (para remoção do LI/polímeros de líquidos iónicos (PILs) que não tenha reagido).Os �lmes foram obtidos por evaporação de solvente e de seguida caracterizados porH-RMN, espectroscopia Raman e IR, análise termogravimétrica (TGA), calorimetriadiferencial de varrimento (DSC), intumescimento em meio aquoso, sorção de vapor deágua (SVA), microscopia electrónica de varrimento com espectroscopia dispersiva deraios X (SEM−EDX) e potencial de sorção de fármaco, utilizando um fármaco modelo,o ácido acetilsalicílico (ASA).

Os resultados demonstraram que a extensão da metacrilação do agar deverá tersido reduzida, o que, consequentemente, condicionou a extensão da segunda etapa dareacção. Os resultados demonstraram que a maior parte do LI/PIL retido na matrizpolimérica deverá ter saído na lavagem. No entanto, veri�cou-se que a hidro�licidade

iii

iv RESUMO

do material é directamente proporcional à densidade de carga do polímero, ou seja,à proporção relativa de LI nos �lmes. Estes aditivos funcionam como plasti�cantes,diminuindo as forças intermoleculares da rede polimérica e, por conseguinte, condu-zindo a uma maior capacidade de absorção de água devido ao aumento do volume livrena rede polimérica. A capacidade de penetração de água na matriz é extremamenteimportante para o tipo de aplicação que se propõe desenvolver, pois in�uencia a con-dutividade iónica do material. No geral, os resultados demonstram que o biopolímerofoi modi�cado quimicamente. Todavia, a utilização destes materiais como sistemas delibertação de fármaco electro-activos requer optimização.

Abstract

The constant need to improve the quality of life of human beings led to an increasein the development of biomedical systems by the academic community and industry.This work is aimed at developing and characterizing new electroactive polymer systemswith stimulus-response capability for transdermal drug delivery through the applicationof an electrical stimulus, by combining the advantageous properties of biopolymers andionic liquids (ILs). Agar, an anionic polyelectrolyte, is one of the most widely studiedbiopolymers due to its gelling capability even at low concentrations. On the otherhand, ILs exhibit high ionic conductivity and thermal stability, being non-volatile or�ammable. These features make them particularly attractive for the development ofelectrochemical systems.

In this work, we proceeded to the chemical modi�cation of agar, yielding perma-nent and pH-independent charge through the introduction of an IL with a reactiveimidazolium cation functionalized with a vinyl group in the structure. This modi�ca-tion was performed in two stages: the �rst stage was aimed at grafting the biopolymerwith glycidyl methacrylate (GMA), through the reaction of the hydroxyl groups � themethacrilation yields an unsaturated reactive center which can then be used to cova-lently attach an imidazolium vinylic IL, which has been con�rmed by FTIR-ATR andH-NMR; the second stage was aimed at covalently attaching the IL to the polymermatrix through radical polymerization, thereby providing positive charge to the �nalpolymer and preventing IL leaching. The study of the e�ect of IL on the resultantstructure was based on the analysis of �lm properties with and without addition ofa crosslinking agent and before and after washing the �lms (to remove unreacted IL/PIL). The �lms were produced by solvent evaporation and then characterized by H-NMR, Raman and IR spectroscopy, TGA, DSC, swelling in an aqueous medium, SVA,SEM and drug sorption potential � using a model drug, the ASA.

The results suggest that the extent of the agar methacrilation was reduced, whichconditioned the extent of the second reaction stage. They also show that most of theIL/PIL entrapped in the polymer matrix was probably removed in the wash. However,the hydrophilicity of the material was found to be directly proportional to the polymercharge density, i.e to the relative proportion of IL in the �lms. Thus, one can inferthat this additives act as plasticizers, lowering the polymeric intermolecular force,which in turn leads to an increased water absorption capacity due to increased freevolume in the polymer network. The water penetration capacity into the matrix isextremely important in this type of application, as it in�uences the ionic conductivityof the material. Overall, the results demonstrated that the biopolymer was chemicallymodi�ed. However, the use of these materials in electro-active drug delivery systemsrequires optimization.

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The important thing is not tostop questioning. Curiosity hasits own reason for existing.

Albert Einstein

Conteúdo

Agradecimentos i

Resumo iii

Abstract v

Lista de Figuras xiii

Lista de Tabelas xv

Objectivos e Motivação xvi

1 Introdução 11.1 Biomateriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Agar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Funcionalização do agar por enxerto químico . . . . . . . . . . . . . . . 51.4 Utilização de Líquidos Iónicos em Ciência de polímeros . . . . . . . . . 81.5 Hidrogéis à base de biopolielectrólitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.6 Sistemas de libertação controlada de fármaco electro-responsivos . . . . 131.7 Libertação transdérmica de fármacos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.8 Iontoforese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2 Materiais e Métodos 192.1 Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2 Enxerto do agar com o LI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.1 Enxerto do GMA na cadeia de agar . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.2 Enxerto do LI na cadeia do AGM . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3 Preparação dos �lmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.4 Lavagem dos �lmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.5 Caracterização física e química dos materiais sintetizados . . . . . . . . 26

2.5.1 Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear de Hidrogénio 272.5.2 Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier . 272.5.3 Espectroscopia Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.5.4 Intumescimento em meio aquoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5.5 Sorção de Vapor de Água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5.6 Caracterização térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.5.7 Microscopia Electrónica de Varrimento . . . . . . . . . . . . . . 292.5.8 Sorção de ASA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

ix

x CONTEÚDO

3 Resultados e Discussão 313.1 Caracterização do AGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1.1 Síntese em meio aquoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.1.2 Síntese em DMSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2 Caracterização do AGM modi�cado com LI . . . . . . . . . . . . . . . 443.2.1 Espectroscopia Vibracional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2.1.1 Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.2.1.2 FTIR-ATR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.2.2 Intumescimento em meio aquoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.2.3 Sorção de Vapor de Água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2.4 Caracterização térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.2.4.1 Análise Termogravimétrica . . . . . . . . . . . . . . . 573.2.4.2 DSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.2.5 SEM/EDX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.2.6 Sorção de ASA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4 Conclusão 67

5 Perspectivas Futuras 71

Bibliogra�a 73

A 84

B 89

C 91

Lista de Figuras

1.1 Modelo esquemático do mecanismo de geli�cação do agar. . . . . . . . . . 41.2 Estrutura química do agar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Esquema das duas vias de funcionalização do GMA . . . . . . . . . . . . . 71.4 Estruturas dos catiões, aniões e grupos funcionais ligados ao head group

mais utilizados nos LIs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5 Ilustração das duas vias de imobilização de LIs. . . . . . . . . . . . . . . . 101.6 Representação esquemática da secção lateral da pele . . . . . . . . . . . . 161.7 Representação esquemática de um dispositivo de iontoforese . . . . . . . . 18

2.1 Reacções químicas e testes de caracterização realizados. . . . . . . . . . . 202.2 Esquema da via reacional predominante (abertura do anel epóxido) no en-

xerto do GMA na cadeia do agar, em meio aquoso. . . . . . . . . . . . . . 212.3 Esquema reaccional do enxerto do LI na cadeia do AGM. . . . . . . . . . . 242.4 Resumo esquemático das reacções químicas realizadas no enxerto do LI na

cadeia polimérica do GMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1 Espectros 1H-RMN do agar puro e do GMA . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2 Espectros IR do agar e do GMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 Aspecto das amostras de AGM após lio�lização. . . . . . . . . . . . . . . 373.4 Espectros 1H-RMN do agar modi�cado com uma razão molar de vi-

nil/hidroxilo igual a 1/4, para tempos de reacção de 3 e 14h. . . . . . . . . 383.5 Espectros IR do GMA, AGM com uma razão molar vinil/hidroxilo igual a

1/4 e reacção durante 3h, AGM com uma razão molecular igual a 1/4 ereacção durante 14h e agar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.6 Espectros 1H-RMN do agar modi�cado com uma razão molecular de vi-nil/hidroxilo igual a 1, para tempos de reacção de 14 e 24h. . . . . . . . . 40

3.7 Espectros IR do GMA, AGM com uma razão molar vinil/hidroxilo igual a1 e reacção durante 14h, AGM com uma razão molecular igual a 1 e reacçãodurante 24h e agar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.8 Espectro 1H-RMN do agar modi�cado em DMSO durante 24h e com umarazão molar vinil/hidroxilo igual a 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

xiii

xiv Lista de Figuras

3.9 Espectros IR do GMA, AGM com uma razão molar vinil/hidroxilo igual a1 e reacção durante 24h e agar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.10 Espectro Raman do agar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.11 Espectro Raman do GMA puro, AGM e agar. . . . . . . . . . . . . . . . . 473.12 Estrutura química do LI utilizado neste trabalho e do LI utilizado para

establecer a correspondência entre os sinais espectrais e as ligações/gruposcorrespondentes na espectroscopia Raman. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.13 Espectro Raman do LI puro, �lme sem reticulante, �lme sem reticulantelavado e AGM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.14 Espectro Raman do �lme sem reticulante lavado. . . . . . . . . . . . . . . 493.15 Espectros IR do LI, �lme sem reticulante, �lme sem reticulante lavado e

AGM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.16 Grá�cos relativos aos ensaios de intumescimento das amostras de agar,

AGM e �lmes sem/com reticulante antes e após a lavagem . . . . . . . . . 523.17 Grá�cos relativos aos ensaios de sorção de vapor de água das amostras de

agar, AGM e �lmes sem/com reticulante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.18 Per�s de decomposição do LI puro, agar, AGM e �lmes sem reticulante,

lavados e não lavados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.20 Imagem SEM do corte transversal de um �lme de agar puro, com uma

ampliação de 800x. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.21 Imagens SEM do corte transversal dos �lmes não reticulados e reticulados,

antes e depois da lavagem, com uma ampliação de 800x. . . . . . . . . . . 623.22 Estrutura química do ASA e respectiva constante de dissociação (Ka). . . 64

A.1 Espectros 1H-RMN do agar modi�cado com uma razão molecular de vi-nil/hidroxilo igual a 1/4, para temps de reacção de 3 e 14h. . . . . . . . . . 84

A.2 Espectros 1H-RMN do agar modi�cado com uma razão molecular de vi-nil/hidroxilo igual a 1, para temps de reacção de 14 e 24h. . . . . . . . . . 85

A.3 Espectro 1H-RMN do agar modi�cado durante 24h e com uma razão molarvinil/hidroxilo igual a 1, em DMSO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

A.4 Espectros IR do LI, �lme com reticulante, �lme com reticulante lavado eAGM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

A.5 Espectro 13C-RMN do AGM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

B.1 Espectro Raman do LI puro, �lme com reticulante, �lme com reticulantelavado e AGM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

B.2 Espectro Raman do �lme com reticulante lavado. . . . . . . . . . . . . . . 89

C.1 Recta de calibração do (Bvim)Cl em água. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91C.3 Recta de calibração do ASA em água. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91C.2 Per�s de decomposição do agar, AGM e �lmes com e sem reticulante, lava-

dos e não lavados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Lista de Tabelas

3.1 Comparação dos valores experimentais e teóricos das frequências caracte-rísticas dos espectros IR para o agar e GMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2 Resultados da integração dos espectros RMN para todas as condições ex-perimentais de modi�cação do agar estudadas. . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.3 Comparação dos valores experimentais e teóricos das frequências caracte-rísticas dos espectros Raman para o agar, GMA e LI. . . . . . . . . . . . . 46

3.4 Comparação dos valores experimentais e teóricos das frequências caracte-rísticas dos espectros IR para o LI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.5 Percentagem de massa perdida por cada amostra nos ensaios de intumesci-mento e respectivos valores de absorvância do meio de análise. . . . . . . . 54

3.6 Valores relativos à perda de massa inicial devido à presença de água, tem-peratura onset (To) e temperatura de máxima perda de massa (Tp) para oagar, LI puro, AGM e �lmes sem e com reticulante. . . . . . . . . . . . . . 59

3.7 Percentagem de composição de massa dos �lmes. . . . . . . . . . . . . . . 63

xv

Objectivos e Motivação

Devido ao envelhecimento da população e ao aumento da esperança média de vida,surgiu a necessidade de desenvolver novos sistemas de libertação de fármaco inteli-gentes, capazes de administrar medicamentos de modo a manter a concentração defármaco no organismo dentro da janela terapêutica, mesmo na ausência de um pro-�ssional de saúde. A libertação transdérmica de fármacos, apesar de ter contribuídopara o desenvolvimento da medicina, ainda não atingiu todo o seu potencial como al-ternativa às injecções hipodérmicas ou à administração oral de fármacos. A iontoforeseé um método de libertação transdérmica activo, o qual consiste na aplicação de umapequena corrente eléctrica, a qual diminui a resistência da pele à passagem do fármaco.É um método não-invasivo, seguro e que permite uma libertação controlada do fármacopois esta é proporcional à intensidade da corrente, sendo por isso ideal para o tipo desistemas que se propõe desenvolver neste trabalho.

Nos últimos anos, veri�cou-se um aumento da utilização de polímeros naturais hi-drofílicos em sistemas de libertação de fármaco. Este aumento é justi�cável pela suabaixa toxicidade, biodegrabilidade, elevada estabilidade, elevada disponibilidade na na-tureza (plantas, animais, algas e microorganismos) e, �nalmente, devido ao seu baixocusto. Adicionalmente, estes materiais possuem uma enorme variedade de estruturase propriedades e podem ser facilmente modi�cados quimicamente. O agar, é um dosbiopolímeros aniónicos mais estudados, devido à sua capacidade de geli�cação mesmoa baixas concentrações, capacidade de formar �lmes, estabilidade e citotoxicidade ne-gligível. Recentemente, os LIs têm recebido imensa atenção por parte da comunidadecientí�ca devido às suas propriedades únicas, em particular, a sua elevada conduti-vidade iónica, biocompatibilidade, estabilidade térmica e eletro-química e o facto denão serem in�amáveis nem voláteis, torna-os especialmente atractivos para o desenvol-vimento de sistemas electro-químicos. Assim, o objectivo deste trabalho consiste nodesenvolvimento e caracterização de polímeros electroactivos de base natural, modi�ca-dos com líquido iónicos (LIs) para a libertação transdérmica de fármacos por aplicaçãode um estímulo eléctrico.

Primeiramente, procedeu-se à alteração da estrutura química do agar através doenxerto do glicidil metacrilato (GMA), com o intuito de introduzir grupos vinílicosna cadeia polimérica do agar. Posteriormente, estes grupos deverão reagir por poli-merização radicalar com os grupos vinílicos do LI, originando um polímero carregadopositivamente. Este material foi caracterizado em termos químicos, termodinâmicos emorfológicos e, por �m, foram efectuados testes preliminares de sorção com um fármacoaniónico, o ASA.

O presente trabalho encontra-se organizado em cinco capítulos principais cujo focose resume da seguinte forma:

xvii

xviii Objectivos e Motivação

O Capítulo 1, Introdução, resume o estado da arte dos principais aspectos rela-cionados com o trabalho. Inicialmente é feito um enquadramento geral do contextodo trabalho, seguido do estudo detalhado do biopolímero utilizado e da modi�caçãoquímica efectuada com o GMA. Posteriormente são apresentadas as principais caracte-rísticas e aplicações dos líquidos iónicos e dos hidrogéis à base de polielectrólitos, sendode seguida apresentada uma revisão da utilização dos últimos como sistemas de liber-tação controlada de fármaco. Por �m, serão apresentados os principais mecanismos delibertação transdérmica de fármacos e, em particular, a iontoforese.

No Capítulo 2, Materiais e Métodos, serão apresentados os materiais utilizados narealização do trabalho bem como uma descrição detalhada das duas reacções químicasrealizadas no enxerto do agar com o LI: primeiramente a modi�cação do biopolímeropuro com o GMA e de seguida o enxerto do material obtido (agar modi�cado comGMA (AGM)) com o LI. De seguida, é descrito o processo de preparação e lavagem dos�lmes do material �nal. Finalmente, são descritos todos os métodos de caracterizaçãoutilizados no estudo do material intermédio (AGM) e dos �lmes de agar enxertado comLI.

No Capítulo 3, Resultados e Discussão, em primeiro lugar são apresentados e discu-tidos os resultados relativos à caracterização do AGM (H-NMR e FITR) e, posterior-mente, os resultados referentes aos à caracterização dos �lmes de agar enxertados comLI (Espectroscopia Raman e IR, intumescimento em meio aquoso, sorção de vapor deágua, TGA, DSC, SEM/EDX e sorção de ASA).

No Capítulo 4, Conclusão, são resumidas as principais conclusões do trabalho, en-quanto no Capítulo 5, Perspectivas Futuras, são apresentadas algumas sugestões parao desenvolvimento de trabalhos futuros relacionados com este tema.

Capítulo 1

Introdução

1.1 Biomateriais

Devido ao envelhecimento da população e ao aumento tanto da esperança média de

vida como das expectativas relativamente à qualidade de vida, a área da biomedicina

tornou-se uma área de grande interesse tanto da comunidade académica como da in-

dústria [1]. Actualmente, a biomedicina alberga a utilização de materiais em contacto

com o meio biológico, do qual fazem parte células, tecidos/órgãos, �uídos �siológicos

e biomoléculas. Por conseguinte, existe a necessidade de uma abordagem sinergética

e interdisciplinar que combine os mais recentes avanços cientí�cos na ciência e enge-

nharia de materiais com os requisitos de biocompatibilidade e biofuncionalidade dos

materiais [2]. Os dispositivos biomédicos devem ser simples, não-invasivos, seguros,

precisos, possuir uma resposta rápida e apresentar um baixo custo, para que sejam

utilizáveis por qualquer pessoa mesmo na ausência de um técnico de saúde, durante o

diagnóstico, tratamento ou monitorização da situação clínica.

A de�nição ”dispositivo” segundo a US Federal Drug and Food Administration

(FDA) inclui qualquer instrumento, aparelho, utensílio, máquina, implante, reagente

in vitro ou combinação destes elementos, que se destine à prevenção, diagnóstico ou

tratamento de uma condição. Assim, materiais como polímeros sintéticos ou natu-

rais, metais, cerâmicos ou compósitos destes materiais não são só por si considerados

dispositivos, sendo aprovados pela FDA como integrantes de um dispositivo de utiliza-

ção �nal [3]. Os biomateriais são raramente utilizados como materiais isolados, sendo

comummente integrados nestes dispositivos médicos.

Segundo a Clemson University Advisory Board for Biomaterials, um biomaterial é

"uma substância sistematicamente e farmacologicamente inerte concebida para a in-

corporação ou implantação em sistemas vivos"[4]. Numa perspectiva mais prática, um

biomaterial pode ser de�nido como um material que se destina a interagir com sistemas

1

2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

biológicos, com o objectivo de avaliar, tratar, aumentar ou substituir qualquer tecido,

órgão ou função [5]. Como tal, os biomateriais devem apresentar baixa toxicidade,

a não ser que sejam especi�camente projectados com esse �m (ex. um sistema de

libertação de fármaco inteligente que tem como alvo células tumorais para posterior

destruição), serem bioestáveis ou biodegradáveis (por hidrólise ou enzimaticamente)

dependendo da aplicação, possuírem boas propriedades mecânicas e, por �m, uma boa

biocompatibilidade/performance biológica [5]. Este último requisito é essencial para

classi�car o material como biomaterial e de�ne-se como "a capacidade do material

de desempenhar a sua função com uma resposta do hospedeiro adequada numa dada

aplicação"[6]. A resposta do tecido a um implante depende de vários factores, desde

as propriedades químicas, físicas e biológicas dos materiais até à forma ou estrutura do

implante [5].

No início da década de 2000, com a introdução de novos conceitos de biologia

molecular e os avanços na proteómica, o conhecimento dos mecanismos responsáveis

pela biocompatibilidade dos materiais evoluiu. Estas descobertas afectaram signi�ca-

tivamente a síntese, design e utilização destes materiais. Como resultado, a presente

década assistiu ao aparecimento de uma nova geração de biomateriais, os biomateriais

inteligentes ou estímulo-resposta [1]. Estes materiais são polímeros que sofrem altera-

ções físicas e/ou químicas abruptas em resposta a pequenas variações de condições do

meio externo, como por exemplo temperatura, força iónica, campo electromagnético

ou luz [7].

Os polímeros constituem uma vasta e diversa família de materiais, com proprie-

dades mecânicas que os tornam úteis em todo o tipo de aplicações, representando a

maior classe de biomateriais. Além disso, polímeros como as proteínas, polissacarídeos

e ácidos nucleicos constituem os componentes básicos dos sistemas orgânicos [8]. As-

sim, a utilização de polímeros de base natural é vantajosa pois estes são semelhantes

às macromoléculas biológicas, estando o meio biológico preparado para as reconhe-

cer e metabolizar. Portanto, devido às suas semelhanças com a matriz extracelular

(ECM), os polímeros naturais podem evitar in�amações crónicas, reacções imunológi-

cas e toxicidade, as quais são frequentemente detectadas com polímeros sintéticos [9].

No entanto, as propriedades como o peso molecular, solubilidade, forma, estrutura, hi-

dro�licidade/hidrofobicidade, energia de superfície, capacidade de absorção de água e

os mecanismos de degradação e erosão dos polímeros afectam a biocompatibilidade dos

mesmos [5]. Além disso, o interesse nos polímeros biodegradáveis aumentou recente-

mente devido aos problemas ambientais provocados pelos resíduos plásticos após a sua

utilização e pela diminuição da abundância de fontes de energia não-renováveis [10, 11].

Portanto, os plásticos biodegradáveis (bioplásticos), os quais têm como matéria-prima

polissacarídeos, proteínas ou lípidos, surgiram como uma nova geração de materiais de

1.2. AGAR 3

grande interesse por parte da comunidade cientí�ca [11].

No que diz respeito aos polissacarídeos, estes possuem aplicações em diversas áreas,

incluindo a indústria do papel, têxtil, alimentar, cosmética, química, biomédica e far-

macêutica pois possuem uma vasta gama de propriedades estruturais, funcionais e

físico-químicas sendo frequentemente utilizados como espessantes, emulsionantes, es-

tabilizadores, �oculantes ou géis, �lmes ou membranas [12, 13]. Podem ser obtidos de

sementes, grãos, frutos, tubérculos ou da parede celular de plantas (galactomananas,

amido, pectina ou celulose), de algas (carragenano, alginato, agar), de animais (quito-

sano ou ácido hialurónico) ou através de fermentação bacteriana (xantana ou dextrano)

[14, 15].

Os �cocolóides são polissacarídeos que se encontram na parede celular e nos espaços

intercelulares de várias espécies de algas, sendo que as algas vermelhas contêm princi-

palmente agar e carragenano, enquanto as castanhas produzem alginato [16, 15]. Estes

polissacarídeos fornecem �exibilidade à alga, auxiliando na adaptação aos ambientes

aquáticos onde estas crescem e também incham em contacto com a água, preservando

a hidratação da mesma. Por conseguinte, os �cocolóides são frequentemente utilizados

como géis e espessantes em aplicações industriais e alimentares [16, 17].

1.2 Agar

O agar é extraído da parede celular de inúmeras espécies de algas vermelhas da classe

Rhodophyta [18, 19]. Este polímero possui uma cadeia linear constituída por resíduos

de β-D-galactose ligados através da posição 1 e 3 e por resíduos de 3,6�anidra-α-

galactose ligados através das posições 1 e 4 [15]. As variantes desta estrutura polimérica

fundamental resultam de substituições nos grupos hidroxilo, sendo os substituintes

tipicamente aniónicos (sulfato ou piruvato) ou não iónicos (metoxilo) [10, 19]. Em

geral, alguns do C-6 do resíduo de 3,6�anidro-α-galactose encontram-se substituídos

por grupos sulfato [15, 19]. O tipo e quantidade de substituintes depende da espécie

de alga, da localização geográ�ca e estação do ano e, por �m, dos procedimentos

utilizados para extrair e isolar o agar. No entanto, o tipo, quantidade e localização

destes substituintes na estrutura do polímero, bem a sua distribuição de peso molecular

in�uenciam fortemente a capacidade geli�cação deste biopolímero [20]. O mecanismo

de geli�cação do agar encontra-se na Fig. 1.1. Este facto justi�ca-se com a dependência

da formação da conformação helical (geli�cação) da concentração iónica e natureza

dos substituintes e da temperatura. A conformação resulta de um balanço entre as

pontes de hidrogénio (as quais estabilizam a hélice, mas são destabilizadas com o

aumento da temperatura) e as repulsões electroestáticas entre os grupos ionizados da


cadeia polimérica [15]. Contudo, os grupos sulfato podem ser removidos através de um

tratamento alcalino antes da extracção ou por eliminação enzimática [15, 21].

Figura 1.1: Modelo esquemático do mecanismo de geli�cação do agar.

O agar é constituido por dois polissacarídeos: a agarose, um polímero neutro com

elevada capacidade de geli�cação e a agaropectina, um polissacarídeo sulfatado [22]

(Fig. 1.2). Como tal, a proporção de agarose e agaropectina afecta as propriedades

físico-químicas, mecânicas e reológicas das soluções de agar [22]. No entanto, é possível

obter agarose pura através do fraccionamento do agar. Todavia, este processo é muito

dispendioso e o agar não fraccionado, além de ter um custo razoável, possui uma boa

capacidade de geli�cação [18].

Figura 1.2: Estrutura química do agar.

Devido à sua capacidade de formar géis termoreversíveis, o agar é frequentemente

utilizado como agente de geli�cação em alimentos processados, cosméticos e produtos

farmacêuticos, além das suas aplicações na área da biotecnologia [19, 23]. De seguida,

serão dados alguns exemplos de aplicações do polímero nestas áreas.

Nos últimos anos, a utilização de polissacarídeos como �lmes comestíveis e reves-

timentos têm sido alvo de muita atenção por parte da comunidade cientí�ca e da

indústria, pois são uma excelente alternativa às embalagens convencionais [11, 10, 24].

Estes �lmes possuem uma elevada resistência mecânica, são biodegradáveis, preservam

a integridade dos produtos, retardam a perda de sabor dos alimentos e aumentam o

tempo de vida de frutas e vegetais [24, 25]. Phan et al., estudaram a aplicabilidade do

1.3. FUNCIONALIZAÇÃO DO AGAR POR ENXERTO QUÍMICO 5

agar neste tipo de materiais, tendo veri�cado que os �lmes apresentavam um aspecto

transparente, eram robustos e possuíam uma boa �exibilidade mesmo com baixas per-

centagens de vapor de água. Além disso, concluíram que os �lmes à base de agar eram

termo-selantes [24].

Na área da biotecnologia, a agarose (resultante da puri�cação do agar, como ante-

riormente referido) é o polímero utilizado na electroforese. A electroforese é o método

standard para separar, identi�car e puri�car fragmentos de ácido desoxirribonucleico

(DNA). No entanto, esta técnica é frequentemente utilizada apenas para determinar o

tamanho, quantidade ou pureza das amostras de DNA. Como anteriormente referido,

a agarose é um polímero neutro, sendo por isso o material utilizado nesta técnica pois

a presença dos iões iria afectar a migração das substâncias (dependendo da sua carga)

bem como a sua actividade biológica. Devido ao elevado custo da agarose, Viljoen et

al., estudaram a potencial aplicação do agar como matriz na electroforese. Utilizando

a mesma percentagem de gel, voltagem, aparelho e quantidade de DNA testaram di-

ferentes tipos de agar, tendo concluído que este polímero pode substituir a agarose se

o objectivo do teste for a análise da pureza, tamanho ou quantidade de DNA. No en-

tanto, os autores não recomendam a utilização do mesmo se objectivo for a puri�cação

do DNA [26].

Finalmente, Mazumder et al. estudaram o potencial antiviral dos polissacarídeos

sulfatados contra os vírus do herpes simplex tipo 1 e 2 (HSV), tendo veri�cado que

estes apresentavam uma actividade antiviral elevada devido à inibição da ligação do

vírus à célula hospedeira. Este facto, aliado à não citotoxicidade destes políssacarídeos,

torna-os potenciais candidatos a fármacos anti-HSV [27].

1.3 Funcionalização do agar por enxerto químico

Os biopolímeros são materiais de baixo custo, são obtidos de fontes renováveis,

biocompatíveis, biodegradáveis, possuem uma grande variedade de estruturas químicas

e são relativamente fáceis de modi�car quimicamente. Como tal, nos últimos anos as

reacções de funcionalização destes materiais têm sido alvo de muita investigação, pois

permitem aumentar o seu espectro de aplicações. A funcionalização por enxerto é uma

técnica frequentemente utilizada na modi�cação de biopolímeros. [28, 29].

O GMA é muito utilizado em reacções de funcionalização por enxerto, existindo

duas vias possíveis para a funcionalização de polissacarídeos com GMA: transesteri�-

cação e abertura do anel epóxido (Fig. 1.3) [30, 31]. O mecanismo de transesteri�cação

é rápido e reversível, ocorrendo predominantemente quando são utilizados solventes

polares apróticos (ex. dimetilsulfóxido (DMSO)). O agar metacrilado é o principal


produto desta reacção, sendo o glicidol (GDOL) um subproducto da reacção. Quando

é utilizado um solvente prótico (ex. água), a via predominante é a de abertura do anel,

a qual é lenta e irreversível. [32].

1.3. FUNCIONALIZAÇÃO DO AGAR POR ENXERTO QUÍMICO 7

+

GDOL

Via transesterificação Via abertura

do anel

epóxido

Figura 1.3: Esquema das duas vias de funcionalização do GMA: transesteri�cação e abertura

do anel epóxido. Na primeira via o principal componente da reacção é o agar metacrilado,

sendo o GDOL um subproduto. Quando o GMA reagem por abertura do anel, pode originar

dois isómeros, dependendo do carbono do anel epóxido que reage com o GMA. Este dois

isómeros encontram-se representados na �gura.


É importante notar que ambos os mecanismos reaccionais podem ocorrer simultane-

amente, dependo do pH e da natureza química do solvente [33]. Reis et al., estudaram

os mecanismos de reacção do poli(vinil álcool) (PVA) com o GMA em meio aquoso,

concluindo que a pH igual a 10.5, o GMA sofre um processo de hidrólise e reage com

os grupos hidroxilo através de ambos os mecanismos. No entanto, a via de abertura

do anel epóxido é o mecanismo preferencial. A pH 3.5, o GMA reage exclusivamente

pela via de abertura do anel [33].

1.4 Utilização de Líquidos Iónicos em Ciência de

polímeros

Os LIs são sais líquidos à temperatura ambiente, apresentando geralmente um ponto

de fusão inferior a 100 ◦C. No caso do ponto de fusão ser inferior à temperatura ambi-

ente, estes designam-se de room temperature ionic liquids (RTILs) [34]. Estes materiais

possuem uma pressão de vapor negligível, elevada conductividade (de 10−4 a 10−2 S

cm−1), elevada estabilidade electroquímica (4-5.7 V), elevada estabilidade térmica e

química (até 300 ◦C, dependo da natureza do anião) e não são in�amáveis [35, 36].

No entanto, uma das características mais importantes dos LIs, é o facto das suas pro-

priedades poderem ser alteradas através da mudança da estrutura do catião, anião ou

do grupo funcional que está ligado ao head group (Fig. 1.4). Este grupo funcional

pode ser apenas uma cadeia alquílica ou pode ser mais complexo, como por exemplo

um grupo hidroxilo, alcóxido ou uma cadeia rami�cada [37]. A selecção e o design

LI está dependente da área de aplicação, assim a elevada variedade de combinações

que estes fornecem traduz-se numa enorme vantagem. Devido a esta combinação de

propriedades única e, principalmente, à sua baixa volatilidade, nos últimos anos os LIs

têm sido principalmente utilizados como solventes em vários tipos de processos de po-

limerização (ex. polimerização radicalar e polimerização radicalar viva) [38]. Existem

vários estudos que demonstram que os LIs conseguem não apenas dissolver a celulose,

como também a quitina, o quitosano e o amido, pois os seus iões quebram as pontes de

hidrogénio, interagindo com os grupos hidroxilo [39, 40, 41]. Xie et al., demostraram

que o 1-Butyl-3-methylimidazolium chloride ([Bmim]Cl) consegue dissolver até 10 wt%

de quitosano após 5 horas a uma temperatura de 110 ◦C e com agitação mecânica, sob

uma atmosfera de azoto [42]. Todavia, a utilização dos LIs em ciência de polímeros

não está limitada ao meio de polimerização. Estes também são investigados como elec-

trólitos e como componentes de matrizes poliméricas (como por exemplo, hidrogéis)

[38].

Dado que estes compostos são sais, são frequentemente utilizados como electróli-

1.4. UTILIZAÇÃO DE LÍQUIDOS IÓNICOS EM CIÊNCIA DE POLÍMEROS 9

Figura 1.4: Estruturas dos catiões, aniões e grupos funcionais ligados ao head group mais

utilizados nos LIs.

tos (líquidos). Uma estratégia importante na escolha dos componentes e no design

dos electrólitos é a diminuição da viscosidade, pois esta é responsável pelo aumento

da conductividade do material. Por exemplo, no caso de LIs contendo o mesmo head

group e anião, observou-se que a viscosidade diminui com a diminuição do compri-

mento da cadeia alquílica. Contudo, os grupos funcionais desta também in�uenciam

a viscosidade. Os catiões aromáticos como a piridina e o imidazólio, apresentam vis-

cosidades mais baixas devido à sua baixa densidade de carga e geometria plana [37].

Actualmente, os LIs são os compostos mais promissores para desenvolver electrólitos

de elevada conductividade e segurança, pois não são in�amáveis nem voltáteis.

No entanto, do ponto de vista de eliminar fugas ou deformações devido à gravidade,

electrólitos sólidos ou semi-sólidos são preferidos em detrimento dos materiais �uídos

[43]. Assim, nos últimos anos, os géis poliméricos à base de LIs têm atraído muita

atenção por parte da comunidade cientí�ca. Normalmente, os métodos de preparação

de géis poliméricos com LIs são três: o aprisionamento de LIs na matriz polimérica

(entrapment), através da mistura física e polimerização de monómeros vinílicos em LIs

(estes últimos actuam como solventes) e, por �m, polimerização de LIs contendo grupos


polimerizáveis (ex. grupos vinílicos) [44].

Existem vários parâmetros que in�uenciam a condutividade iónica dos PILs, como

por exemplo: o tipo de monómeros (número de grupos polimerizáveis), o catião, o

anião, o espaçador entre o grupo polimerizável e o catião/anião, o tamanho da cadeia

alquílica do anel e a reticulação/rigidez da matriz. Em comparação com os LIs, os

PILs apresentam uma melhor estabilidade mecânica, cadeias dinâmicas, durabilidade e

processabilidade. No entanto, a sua condutividade iónica diminui devido à diminuição

da mobilidade iónica após a ligação covalente e à elevação da temperatura de transição

vítrea (Tg). As aplicações dos PILs incluem além de electrólitos, estabilizantes, catálise

e separação de CO2.[45].

Apesar de nas últimas décadas os LIs terem sido sugeridos como alternativas van-

tajosas aos solventes orgânicos do ponto de vista ambiental, este facto baseia-se exclu-

sivamente na sua não-volatilidade. No entanto, uma baixa difusão para a atmosfera,

não elimina completamente a possibilidade de risco ambiental, dado que estes pos-

suem uma solubilidade considerável em água. Além disso, as propriedades que lhes

conferem interesse industrial (elevada estabilidade química/térmica e não-volatilidade)

sugerem problemas de degradação, isto é, persistência no meio ambiente [44, 46]. Es-

tudos recentes concluíram que o aumento do tamanho da cadeia alquílica (aumento da

lipo�licidade) está relacionado com o aumento da taxa de degradação, bem como com

um aumento da toxicidade. Relativamente ao catião, veri�cou-se que o piridínico é me-

nos prejudicial para o ambiente que o imidazólio, tanto no que diz respeito à toxicidade

como à taxa de degradação [46].

Esta desvantagem aliada ao facto de o seu custo ser mais elevado comparativamente

aos solventes tradicionais e de existir a necessidade de utilizar solventes orgânicos para

extrair os produtos de reacção do LI (quando este actua como solvente), limitam a

utilização dos mesmos. Consequentemente, surge a necessidade de reduzir a quantidade

de LI utilizada. Uma forma relativamente simples consiste em imobilizar os LIs em

suportes sólidos, podendo estes estar adsorvidos ao suporte ou ligados covalentemente

ao mesmo (Fig. 1.5).

Figura 1.5: Ilustração das duas vias de imobilização de LIs.

1.5. HIDROGÉIS À BASE DE BIOPOLIELECTRÓLITOS 11

No primeiro caso, os LIs encontram-se adsorvidos a membranas poliméricas, ma-

trizes porosas ou partículas [38]. Assim, dado que se encontram ligados �sicamente ao

suporte, não há alteração da sua estrutura, logo as propriedades essenciais do mesmo

deverão manter-se. No entanto, existe a possibilidade de lixiviação na presença de um

solvente com a capacidade de os solvatar. No caso de o LI estar ligado covalentemente

ao suporte, o carácter iónico do sal é alterado até certo ponto, mas geralmente as suas

características principais mantêm-se [44].

1.5 Hidrogéis à base de biopolielectrólitos

Os hidrogéis têm vindo a ganhar crescente interesse por parte da comunidade ci-

entí�ca desde a segunda metade do século XX. Estes materiais são constituídos por

cadeias poliméricas hidrofílicas capazes de absorver e reter grandes quantidades de vá-

rios solventes, como por exemplo água, soluções salinas, solventes orgânicos ou �uídos

biológicos, em resposta a pequenas variações do meio externo [47, 48]. Uma das prin-

cipais características dos hidrogéis é a sua biocompatibilidade, sendo por isso muito

utilizados em sistemas de libertação controlada de fármaco, lentes de contacto, biossen-

sores ou sca�olds [2, 48]. Assim, e devido à biocompatibilidade, não toxicidade, baixo

custo e degradabilidade dos polissacarídeos, o interesse na síntese de hidrogéis à base

destes biopolímeros tem aumentado. Biopolímeros como o dextrano, alginato, pectina,

agar ou amido são exemplos de materiais utilizados em formulações de hidrogéis [2, 47].

Os hidrogéis constituídos por matrizes poliméricas reticuladas absorvem grandes

quantidades de água sem sofrerem dissolução, podendo estes ser reticulados física ou

quimicamente ou apenas devido ao entrelaçamento das suas cadeias poliméricas [47].

Na reticulação física as interacções são não covalentes, enquanto na reticulação química

as ligações são covalentes [49]. O grau de reticulação dita a capacidade que a matriz

tem de expandir, ou seja, a quantidade de água que consegue absorver. Crispim et

al., produziram hidrogéis de PVA modi�cados com GMA com diferentes percentagens

mássicas de sulfato de condroitina (SC) e diferentes grau de substituição (DS) de GMA.

Como é esperado, um maior DS implica um maior número de grupos metacrilato nas

cadeias do polímero modi�cado, os quais podem reagir entre si durante a geli�cação,

originando pontos de reticulação devido aos grupos vinílicos do GMA. Dado que o

GMA torna o polímero menos hidrofílico e que a reticulação limita a capacidade de

expansão da matriz, um maior DS implica uma diminuição do grau de intumescimento.

No entanto, a redução no grau de intumescimento à medida que a reticulação aumenta

é menos signi�cativa nos hidrogéis que contêm apenas PVA-GMA comparativamente

àqueles que contêm CS apesar de, para um dado DS, os hidrogéis que possuem SC


apresentarem um grau de intumescimento superior aos hidrogéis contendo apenas PVA-

GMA (facto devido ao carácter hidrofílico do SC). Assim, os autores concluíram que

a hidro�licidade do material é governada pela mobilidade das cadeias poliméricas do

SC e que uma menor reticulação permitiria que as cadeias mantivessem a mobilidade

o que, por conseguinte, possibilitaria a absorção de elevadas quantidades de água.

A porosidade do hidrogel também in�uencia os coe�cientes de difusão envolvidos na

transferência de massa durante o intumescimento, funcionando como uma barreira

selectiva. O tamanho dos poros depende do peso molecular médio dos segmentos da

cadeia polimérica entre os pontos de reticulação [47].

Quando um polímero suporta grupos iónicos regularmente distribuídos na sua ca-

deia, este é designado de polielectrólito. No caso dos polielectrólitos derivados de po-

lissacarídeos, os grupos iónicos são principalmente o −COO− (grupo carboxílico, ex.

pectina e alginato), −NH+3 (grupo amina protonado, ex. quitosano em meio ácido)

e −SO−3 (grupo sulfato, ex. carragenano e agar). No caso dos polielectrólitos com

grupos −COO− e −NH+3 , a carga da matriz polimérica é fortemente dependente do

pH [15]. Os hidrogéis à base de polielectrólitos possuem uma maior capacidade de

absorção devido à repulsão electroestática existente entre as suas cadeiras poliméricas.

Esta repulsão gera espaço livre na matriz, o qual poderá ser ocupado pelo solvente

[48, 49, 50]. Spinks et al., estudaram o comportamento de hidrogéis de quitosano em

diferentes pH, tendo veri�cado que o grau de intumescimento diminui com o aumento

do pH. Este facto deve-se à desprotonação dos grupos amina, pois a repulsão elec-

troestática torna-se mais fraca [48]. O mesmo efeito foi veri�cado após o estudo da

funcionalização da pectina com ligações vinílicas para posterior reticulação com di-

ferentes monómeros e formação de hidrogéis [50, 32]. Nestes casos a capacidade de

intumescimento dos hidrogéis permanece praticamente constante no intervalo de pH

de 2-6. No entanto para valores de pH superiores a 6, os grupos carboxilo da pectina

sofrem ionização provocando a expansão na matriz e, consequentemente, aumentando

o grau de intumescimento [50, 32]. No caso do agar, este possui uma pequena percen-

tagem de grupos sulfato, conferindo carga negativa ao polímero em meio aquoso a pH

neutro.

Como anteriormente referido, tanto os polissacarídeos como os LIs são materiais

promissores em várias áreas devido às suas características. Seguidamente, serão apre-

sentados dois exemplos de aplicações de materiais à base de polissacarídeos com LIs.

No primeiro exemplo, os LIs utilizados actuam como solventes (situação mais comum),

enquanto no segundo veri�ca-se a modi�cação química do biopolímero devido ao en-

xerto do LI.

Sharma et al., prepararam sensores de glicose baseados em ionogéis. Os ionogéis

são materiais híbridos em que o LI está disperso numa matriz polimérica. Neste caso,

1.6. SISTEMAS DE LIBERTAÇÃO CONTROLADA DE FÁRMACOELECTRO-RESPONSIVOS 13

procedeu-se à dissolução do agar em dois LIs diferentes (1-ethyl-3-methyl imidazo-

lium chloride ([C2mim]Cl) e 1-octyl-3-methyl imidazolium chloride ([C8mim]Cl)) para

a posterior imobilização da glucose oxidase (GOx), a enzima responsável pela oxida-

ção da glicose. Assim, o modo de funcionamento do sensor consiste na detecção da

corrente eléctrica produzida no �nal da cascata de reacções, a qual é proporcional à

concentração de glicose. Os autores concluíram que o agar é um excelente candidato

a aplicações biomédicas (ex. biosensores, regeneração de tecidos e sistemas de liberta-

ção de fármacos) devido à sua citotoxicidade negligível, capacidade de formar �lmes e

elevada estabilidade e rigidez. Os grupos hidroxilo do agar interagiram tanto com os

iões do LI como com os grupos amina da enzima, facilitando a ligação da mesma ao

eléctrodo. Por �m, os autores veri�caram que o biosensor possuía uma elevada sensi-

bilidade à glicose e as imagens SEM permitiram concluir que os �lmes de ambos os LIs

eram homogéneos [51].

Wei et. al, modi�caram o quitosano através da reacção dos seus grupos amina com

os grupos carboxílicos do 1-carboxybutyl-3-methylimidazolium chloride ([Cmim]Cl),

com o objectivo de produzir um material capaz de adsorver iões para o tratamento de

águas residuais. O material desenvolvido apresenta uma boa capacidade de adsorção

dos aniões Cr2O2−7 e PF−

6 , sendo esta 0.422 mmol/g e 0.840 mmol/g, respectivamente.

Esta capacidade pode ser aumentada a pH baixo, devido à protonação dos grupos

amina do quitosano. Por �m, veri�cou-se que após a adsorção dos aniões o polímero

modi�cado sofria agregação no meio aquoso, facto muito vantajoso pois permite a sua

remoção [52].

1.6 Sistemas de libertação controlada de fármaco

electro-responsivos

Os hidrogéis sensíveis a estímulos externos são extensamente utilizados no desen-

volvimento de sistemas de libertação controlada de fármaco. Como anteriormente

referido, estes são constituídos por uma rede tridimensional formada por cadeias poli-

méricas reticuladas, podendo essa reticulação ser devida a ligações covalentes, pontes

de hidrogénio, interacções van der Walls ou apenas devido ao entrelaçamento físico das

cadeias. Esta rede retém os fármacos, protegendo-os das condições hostis do ambiente

externo (ex. presença de enzimas ou baixo pH). Além disso, o seu elevado conteúdo de

água contribui para a biocompatibilidade do material. Estes materiais controlam a li-

bertação do fármaco através de alterações na sua estrutura devido a pequenas variações

de estímulos físicos ou químicos no meio externo. Os estímulos físicos incluem tempe-

ratura, campos eléctricos, luz, pressão ou campos magnéticos, enquanto os estímulos


químicos incluem força iónica ou eventos especí�cos de reconhecimento molecular. Re-

lativamente à incorporação dos fármacos nos hidrogéis, esta pode ocorrer aquando da

formação do gel ou após, através da imersão do gel numa solução com o fármaco,

permitindo a difusão deste para dentro da matriz [53].

Apesar dos hidrogéis terem imenso potencial em várias aplicações, ainda são ne-

cessárias melhorias em termos práticos. Um dos actuais problemas destes sistemas

consiste no facto de possuírem um tempo de resposta após o estímulo lento. A ma-

neira mais simples de melhorar o tempo de resposta dos hidrogéis sensíveis a estímulos

externos seria diminuir a sua dimensão e espessura, no entanto estes sistemas iriam

ser demasiado frágeis e, por conseguinte, não possuiriam as propriedades mecânicas

necessárias para algumas aplicações [54]. Uma solução simples, seria produzir micro-

esferas ou hidrogéis super-porosos. Por outro lado, uma vez estimulados estes também

apresentam frequentemente problemas de estabilidade e baixa e�ciência na retenção

do fármaco conduzindo à degradação ou perda do mesmo. No início veri�ca-se um

pico máximo de concentração de fármaco, seguido de um patamar e, �nalmente, um

declínio, podendo assim conduzir a concentrações tóxicas ou inefectivas [55]. Assim, os

principais desa�os no desenvolvimento de sistemas de libertação de fármaco na actua-

lidade, consistem no desenvolvimento de sistemas que assegurem um controlo preciso

da quantidade e da taxa de libertação de fármaco, para que a concentração do fármaco

se mantenha acima do limite terapêutico [56].

Neste trabalho, serão estudados os hidrogéis sensíveis a estímulos eléctricos. Es-

tes materiais são normalmente constituídos por polielectrólitos (tal como os hidrogéis

sensíveis ao pH), encolhendo, intumescendo ou erodindo quando é aplicado um campo

eléctrico [56]. Os mecanismos de libertação incluem: difusão a favor do gradiente de

concentração, libertação do fármaco devido à saída de solvente da matriz ou devido à

erosão da mesma ou, por �m, deslocamento do fármaco em direcção ao eléctrodo de

carga oposta [53]. A principal vantagem deste tipo de hidrogéis inteligentes consiste

no facto de a taxa de libertação do fármaco poder ser facilmente controlada através

da modulação da magnitude do campo eléctrico, pela duração dos impulsos eléctricos,

intervalos entre os impulsos, etc. [57, 54, 53]. No entanto, a libertação também é in�u-

enciada pela natureza do fármaco e pelo sistema experimental [53]. Os géis poliméricos

à base de LIs, possuem normalmente propriedades de ambos os componentes. Assim,

apresentam boas condutividades eléctricas, biocompatibilidade e propriedades mecâni-

cas, sendo por isso ideais para sistemas de libertação controlada sensíveis a estímulos

eléctricos [44].

1.7. LIBERTAÇÃO TRANSDÉRMICA DE FÁRMACOS 15

1.7 Libertação transdérmica de fármacos

A libertação transdérmica de fármacos representa uma alternativa à administração

oral de fármacos e às injecções hipodérmicas. Existem situações em que o fármaco não

pode ser administrado por via oral pois iria ser extensamente degradado por enzimas

no tracto gastrointestinal. Enquanto no caso das injecções hipodérmicas, estas além de

serem invasivas e gerarem resíduos ambientais perigosos, apresentam ainda o risco de

transmissão de doenças devido à reutilização de agulhas (países em desenvolvimento)

[58]. Por outro lado, os sistemas de libertação transdérmicos apresentam várias van-

tagens: são não-invasivos, libertam o fármaco durante longos períodos de tempo (até

uma semana), podem ser administrados pelo próprio doente e permitem intervenção

contínua do mesmo (i.e reposicionamento, remoção ou substituição), são normalmente

de baixo custo e, por �m, a pele apresenta uma área de superfície relativamente grande

(1-2 m2) e acessível para absorção dos fármacos [58, 59].

A pele, como maior órgão do corpo humano, evoluiu no sentido de impedir o �uxo

de toxinas para o organismo e de minimizar as perdas excessivas de material endógeno,

como por exemplo a água [60]. A função de barreira da pele re�ete-se na sua estrutura

em multicamadas, possuindo cada uma um nível diferente de diferenciação celular

[61]. A camada mais exterior da pele, denominada de estrato córneo (EC), possui

apenas aproximadamente 15 µm, mas assegura por inteiro e de forma notável, a função

de barreira da pele [60, 59]. O EC é constituído por células mortas (corneócitos)

dispersas numa matriz lipídica numa montagem "tijolo-argamassa", que lhe confere

uma permeabilidade à água 1000 vezes inferior comparativamente às outras membranas

[59]. É importante notar que esta matriz não possui fosfolípidos. Como tal, o fármaco

deverá ser an�pático pois se este for demasiado hidrofílico, não será capaz de atravessar

o EC. Por outro lado, se for demasiado lipofílico, a sua tendência será permanecer nas

camadas no EC [61, 59]. Assim, o primeiro sistema de libertação transdérmica passiva

de fármaco foi aprovado pela FDA em 1979 e tratava-se de adesivo de libertação de

escopolamina com duração de 3 dias, para o tratamento do enjoo. Hoje em dia existem

no mercado sistemas de libertação semelhantes para diversos fármacos ou hormonas,

como por exemplo o estradiol, a lidocaína, o fentanilo ou a testosterona [60] (Fig. 1.6

a).

A maior desvantagem desta via de administração de fármacos reside no facto de

apenas uma pequena percentagem dos fármacos existentes no mercado possuírem as

propriedades físico-químicas necessárias para atravessar o EC passivamente [60, 58].

Estes devem possuir uma massa inferior a 500 Daltons, uma solubilidade aquosa su-

perior a 1 mg/mL, um coe�ciente de partição oil-water entre 10 e 100 e possuir doses

terapêuticas inferiores a 10 miligramas por dia [59, 58]. Por conseguinte, foram desen-


Figura 1.6: Representação esquemática da secção lateral da pele. O EC corresponde à camada

mais exterior da pele sendo por isso a primeira barreira de entrada do fármaco. Imediatamente

abaixo da junção epiderme-derme, surge a derme, a qual possui capilares que conduzirão

os fármacos até à circulação sistémica. a - difusão transdérmica passiva (possivelmente na

presença de um facilitador químico (ex. surfactante). b - Iontoforese (≈10V), transporte de

substâncias através dos folículos ou das glândulas sudoríparas. c - Electroporação (<100V),

transporte através das vias transcelulares devido à disrupção das duplas camadas lipídicas

(adaptado de [60]).

volvidas técnicas para aumentar a quantidade de fármaco que consegue penetrar a pele

passivamente. A forma mais simples consiste na manipulação da formulação, isto é, na

utilização de substâncias químicas em conjunto com o fármaco que conseguem tornar o

EC mais permeável/hidrofílico (ácidos gordos, esteres, surfactantes ou fosfolípidos) ou

na inclusão do fármaco em lipossomas ou outras vesículas. No entanto, a quantidade

de fármaco que é possível administrar utilizando estes métodos continua a ser reduzida

pois as propriedades de barreira da pele não são alteradas de forma e�caz [61].

Assim, surgiu a necessidade de desenvolver métodos activos que permitissem a ad-

ministração de substâncias terapêuticas hidrofílicas e de elevado peso molecular, como

por exemplo a maioria dos peptídeos e proteínas. Estas substâncias são extensamente

degradas por enzimas no tracto gastrointestinal, não podendo ser administradas pela

via oral [61]. Foi assim que surgiu a libertação transdérmica de fármacos eletricamente

assistida (electropermeabilização), da qual fazem parte dois métodos principais: a ion-

toforese e a electroporação (Fig. 1.6 b e c, respectivamente). A iontoforese recorre a

uma pequena corrente eléctrica para forçar o fármaco a atravessar a pele, enquanto

que a electroporação envolve a aplicação de elevadas tensões (>100 V) durante curtos

períodos de tempo (µs-ms), as quais provocam um rearranjo estrutural das membra-

nas celulares, conduzindo à formação de poros [62]. Neste trabalho iremos focar-nos

1.8. IONTOFORESE 17

na iontoforese.

1.8 Iontoforese

A natureza lipofílica da pele restringe a passagem de substâncias hidrofílicas, ió-

nicas e de elevado peso molecular através do SC até à circulação sistémica [63]. A

iontoforese é uma técnica simples que consiste na aplicação de uma pequena corrente

eléctrica (tipicamente 0.5mA/cm2 ou menos) através da pele, apresentando inúmeras

vantagens: aumenta a permeabilidade da pele aos fármacos iónicos, mas também faci-

lita a passagem de moléculas neutras; permite uma libertação controlada do fármaco

dado que a taxa de libertação é proporcional à intensidade da corrente eléctrica, à

duração do estímulo e à área de pele exposta ao mesmo; não causa qualquer dor ou

irritação cutânea; permite a administração através da pele de fármacos hidrofílicos e de

macromoléculas; e, por �m, assim que o estímulo eléctrico for removido, a libertação

de fármaco pára imediatamente [63, 64, 59, 62]. Actualmente, a iontoforese é utilizada,

por exemplo, em sistemas de libertação de lidocaína para anestesia local, no diagnóstico

de �brose cística através da libertação de pilocarpina para induzir a sudorese ou em

dispositivos de libertação periódica de fentanilo, consoante as necessidades do paciente

[58, 59].

Existem três mecanismos principais que potenciam a passagem do fármaco através

do SC: a repulsão do fármaco pelo eléctrodo, a diminuição da resistência da pele devido

à corrente eléctrica e, por �m, a electro-osmose [65, 66, 63]. Relativamente ao primeiro

mecanismo, supondo que o fármaco que se pretende administrar tem carga positiva,

este seria colocado na câmara contendo o eléctrodo da mesma polaridade (ânodo) (Fig.

1.7). Quando fosse aplicada a corrente eléctrica este seria repelido e deslocar-se-ia em

direcção ao cátodo, atravessando o EC. Veri�cou-se que o movimento dos iões entre

os eléctrodos ocorre através da pele e não à superfície [63]. A libertação de fármacos

catiónicos é geralmente facilitada, pois a pele encontra-se carregada negativamente ao

pH �siológico [59]. A electro-osmose deve-se ao �uxo de solvente provocado pela mi-

gração dos iões, sendo este responsável pelo transporte de moléculas neutras (e mesmo

partículas carregadas) [66, 63]. Na realidade, no caso das moléculas carregadas positi-

vamente, a contribuição da electro-osmose torna-se particularmente signi�cativa com

o aumento do peso molecular, sendo este, possivelmente, o mecanismo de transporte

principal no caso das proteínas e peptídeos [59].

A capacidade de penetração dos fármacos depende do seu peso molecular (factor

mais importante), da carga, da polaridade e da concentração da molécula [67, 63]. Se o

peso molecular for inferior a 1000 Daltons, é possível administrar 20-50 mg de fármaco


Figura 1.7: Representação esquemática de um dispositivo de iontoforese. O dispositivo é

constituído por duas câmaras, as quais contêm os eléctrodos, os electrólitos e o fármaco.

Estas são colocadas em contacto com a superfície da pele. Quando o dispositivo é ligado,

a corrente eléctrica conduz à repulsão das cargas positivas do ânodo e, da mesma forma, à

repulsão das cargas negativas do cátodo. Em simultâneo, os aniões (ex. Cl−) e catiões (ex.

Na+) deslocam-se para o ânodo e para o cátodo, respectivamente (adaptado de [59]).

por dia. Todavia, para valores superiores a 5000 Daltons, a dose diária máxima é

inferior a 1 mg [59]. Relativamente aos factores experimentais, os parâmetros mais

importantes são a intensidade e densidade da corrente, a duração do estímulo e o tipo

de eléctrodos utilizados. No entanto, também é necessário ter em consideração o local

onde é colocado o sistema, pois a capacidade de penetração do fármaco é directamente

proporcional à densidade de folículos pilosos e indirectamente proporcional à espessura

do SC, como seria de esperar [63].

Capítulo 2

Materiais e Métodos

2.1 Materiais

Todos os materiais foram utilizados sem qualquer etapa de puri�cação, com exepção

do GMA (97 %), fornecido pela Sigma−Aldrich. Este composto encontra-se estabili-

zado com 100 ppm de monoetil eter hidroquinona (MEHQ) de forma a prevenir a

sua homopolimerização. Procedeu-se à remoção deste inibidor através da passagem

do GMA por uma coluna de sílica e alumina. O agar (ash 2.0−4.5 %) foi fornecido

pela Sigma−Aldrich; o 1-butyl-3-vinylimidazolium chloride ([Bvim]Cl) (95 %), pela

IOLITEC, Ionic Liquids Technologies GmbH, a N-N'-Metileno bis-acrilamida (Bis-

acrilamida) (96 %), pela ACROS Organics e o persulfato de potássio (KPS) (≥ 99.0

%) e a 4-(dimetilamino)piridina (DMAP) (≥ 99.9 %), pela Sigma-Aldrich; o ácido clo-

rídrico (HCl) (37 %), o dimetilsulfóxido deuterado (DMSO-d6) (≥ 99.9 %) e o DMSO

(≥ 99.9 %) pela Sigma−Aldrich.

2.2 Enxerto do agar com o LI

Este processo decorre em duas etapas. Na primeira pretende-se dotar o biopolímero

de ligações vinílicas, através da reacção dos grupos hidroxilo do agar com o GMA. Na

segunda etapa, o objetivo é incorporar o LI na cadeia do AGM por polimerização

radicalar.

A Fig. 2.1, resume as reacções efectuadas e as técnicas de caracterização utilizadas

no estudo dos materiais obtidos.

19

20 CAPÍTULO 2. MATERIAIS E MÉTODOS

Agar

AGM

Filmes

Enxerto do GMA

Enxerto de [Bvim]Cl (polimerização radicalar)

Análise da modificação por RMN e FTIR

Técnicas de caracterização: • FTIR/Raman • Intumescimento em água • SVA • TGA • DSC • SEM/EDX • Sorção de ASA

1ª reacção Diferentes condições: • Tempo de reacção

(3, 14 ou 24h) • Razão molar

vinil/hidroxilo (1/4 ou 1)

• Solvente (água ou DMSO)

2ª reacção Diferentes condições: • Filmes com ou sem

reticulante

Figura 2.1: Reacções químicas e testes de caracterização realizados.

O procedimento experimental realizado em cada etapa é descrito detalhadamente

em seguida.

2.2.1 Enxerto do GMA na cadeia de agar

Devido à elevada temperatura de dissolução do agar, não foi possível determinar o

seu peso molecular (MW) recorrendo à cromatogra�a por exclusão de tamanho (SEC).

Assim, considerámos uma estimativa efectuada com base em valores encontrados na

literatura para amostras de agar provenientes do mesmo fornecedor [68, 69]. Foi calcu-

lada a média aritmética dos pesos moleculares encontrados, sendo o resultado ∼ 120

380 g/mol.

Assumindo, com base no trabalho de Souza et. al, uma percentagem de sulfato

igual a 8.5 % e sabendo que, de acordo com o fornecedor, a percentagem de agaropec-

tina é 30 %, determinou-se a massa molecular média da unidade estrutural do agar,

correpondente a 230.38 g/mol (Fig. 1.2). Foram testados diferentes meios reaccionais,

nomeadamente um solvente prótico (água) e um solvente polar aprótico (DMSO). Os

procedimentos exprimentais são detalhados em seguida [70].

Reacção em meio aquoso O agar foi dissolvido em água Milli-Q à temperatura

de ebulição, com uma concentração de 1% w/v e agitação igual a 1500 rpm durante

alguns minutos até dissolver/solubilizar completamente. De seguida, a temperatura

2.2. ENXERTO DO AGAR COM O LI 21

do sistema foi alterada para 60◦C, correspondendo este valor à temperatura à qual

decorrerá a reacção. O pH da reacção foi ajustado para 3.5 através da adição de

aproximadamente 80 µL de uma solução de 1M de ácido clorídrico (HCl), para que o

GMA reaja por abertura do anel epóxido, como anteriormente referido. Posteriormente,

a solução obtida foi desgasei�cada durante 5 minutos e colocada num banho de óleo

(60◦ C) sob atmosfera de azoto. O esquema reaccional é apresentado na Fig. 2.2.

Neste caso, utilizaram-se dois volumes estequiométricos de GMA, considerando uma

razão molar vinil/hidroxilo de 1:4 e 1:1, as quais correspondem respectivamente a 0.59

e 2.36 mL. O GMA foi adicionado lentamente ao sistema, dando início à reacção, a

qual decorreu durante 3, 14 ou 24 horas.

Figura 2.2: Esquema da via reacional predominante (abertura do anel epóxido) no enxerto

do GMA na cadeia do agar, em meio aquoso.

Após o término de cada período estabelecido, a reacção foi interrompida através

da introdução do reactor num banho de gelo durante aproximadamente 30 minutos,

formando-se um gel. Este material foi partido em pedaços e lavado com água desti-


lada em copos de 800 mL. Esta etapa tem como objectivo remover todo o GMA que

não reagiu e poli(GMA) que se possa ter formado durante a reacção. O polímero é

recuperado por �ltração a vácuo e a água de lavagem analisada no espectrofotómetro.

Quando a absorvância correspondente ao GMA (208 nm) for menor ou igual a 0.01, o

produto considera-se lavado, sendo novamente �ltrado para remover o máximo de água

possível. No total foram gastos aproximadamente 3.2L de água em todo o processo.

Seguidamente o material é congelado e, �nalmente, colocado no lio�lizador, a -37◦C e

1 mbar, dentro de um banho de gelo durante aproximadamente 48 horas.

Reacção em DMSO As reacções em DMSO ocorreram utilizando apenas uma

razão molar vinil/hidroxilo (1:4) e durante 24h. Foi preparada uma solução de agar

em DMSO com uma concentração 1% w/v, a qual permaneceu a 60◦C e com uma

agitação de 1000 rpm, durante 24h para que se atingisse a dissolução completa do

polímero. Posteriormente, a solução foi desgasei�cada durante 10 minutos e colocada

num banho de óleo térmico a 60◦C sob atmosfera de azoto. Após a estabilização do

sistema adicionaram-se 0.05 g do catalisador, o DMAP e, de seguida, 2.36 mL de

GMA. A reacção decorreu durante 24h, a 60 ◦C sob atmosfera de azoto e com uma

agitação de 1500 rpm. Findo este período, procedeu-se à neutralização do DMAP com

uma quantidade equimolar de HCl. Após o arrefecimento da solução, adicionou-se

um volume de acetona correspondente ao quíntuplo do volume de DMSO utilizado,

com o objectivo de precipitar o polímero. Finalmente, este foi limpo através de diálise

durante 3 dias até remover todo o GMA e DMAP que não reagiram e, posteriormente,

lio�lizado -37◦C e 1 mbar durante cerca de 48h.

No �nal do processo de lio�lização, obtiveram-se em ambos os casos espumas bran-

cas de baixa densidade, o AGM. O material foi armazenado num exsicador com sílica,

de modo a minimizar a absorção de água, para posterior caracterização.

2.2.2 Enxerto do LI na cadeia do AGM

Utilizando uma quantidade de LI correspondente a 50% do valor mássico de AGM

foram preparados dois tipos de �lmes, com e sem agente reticulante. Primeiramente,

colocou-se num balão de reacção 0.35 mL de água Milli-Q e quando esta se encontrava

à temperatura de ebulição, foram adicionados 0.35g de AGM partido em pedaços do

menor tamanho possível, por forma a aumentar a superfície de contacto com o sol-

vente, facilitando assim a solubilização. A mistura foi deixada com agitação magnética

durante aproximadamente 3 minutos, sendo depois a temperatura reduzida para 70◦C,

a qual corresponde à temperatura de activação do iniciador e, consequentemente, à

temperatura à qual decorrerá a reacção. Seguidamente, a mistura foi desgasei�cada


durante 5 minutos para remover todo o oxigénio, pois este poderia gerar radicais livres

na presença do iniciador.

Nesta segunda etapa da reacção, a adição dos reagentes segue uma ordem especí-

�ca. O esquema reaccional encontra-se representado na (Fig. 2.3).Em primeiro lugar,

adicionaram-se 0.18g de o LI dissolvido em 0.5mL de água Milli-Q, sendo depois ne-

cessário aguardar 30 minutos com agitação para garantir que o sistema se encontra

homogéneo. No caso dos ensaios com o agente reticulante, a Bis-acrilamida (Fig. 2.3),

este deverá ser o próximo a ser adicionado. Dado que este é bastante solúvel em água,

o tempo de agitação para homogeneização é de apenas 10 minutos. Em último lugar,

adiciona-se o iniciador, o KPS, dando este início à reacção.

A quantidade de reticulante a adicionada corresponde a 2.5% molar em relação ao

número de moles de LI. O iniciador foi adicionado numa proporção de 1% molar em

relação ao número de moles de LI. Foi previamente preparada uma solução de KPS

com concentração de 0.2M, da qual se pipetaram 48.3 µL.

Cada reacção decorre durante 5 horas, sob atmosfera de azoto, com uma agitação

magnética de 800 rpm e a 70 ◦C, como anteriormente referido.

Na �gura 2.4 encontra-se um esquema que resume as tuas etapas de funcionalização

do agar com o LI. Aquando da modi�cação do AGM com o LI, o grupo vinílico do

AGM pode reagir de várias formas, as quais se encontram esquematizadas na �gura.

No entanto, tanto o LI que reagir com os grupos vinílicos do AGM, como aquele que

�car retido nos interstícios da sua matriz (PIL/poli([Bvim]Cl)), irá contribuir para o

aumento da densidade de carga da matriz polimérica. Esta carga positiva aumenta não

só a repulsão entre as cadeias, como também deverá permitir a sorção de um fármaco

com carga oposta à carga da matriz. Porém, é importante notar que o objectivo deste

trabalho não é a formação de PIL, mas sim a reacção do LI com os grupos vinílicos do

AGM.


[Bvim]Cl Bis-acrilamida

C∙ C∙

Figura 2.3: Esquema reaccional do enxerto do LI na cadeia do AGM, no caso em que a ligação

vinílica do GMA reage com a ligação vinílica do LI (reacção mais provável). Os radicais livres

podem reagir com as ligações vinílicas do LI (formando PIL), com o GMA ou com o reticulante

(no caso dos �lmes reticulados).


GMA

KPS

[Bvim]Cl

Bis-acrilamida

T= 70ᵒC

t=5h

T= 60ᵒC

t= 3,14 ou 24h

pH=3,5

Figura 2.4: Resumo esquemático das reacções químicas realizadas no enxerto do LI na

cadeia polimérica do GMA.

GMA [Bvim]Cl Poli([Bvim]Cl)

Bis-acrilamida Pontes de hidrogénio


2.3 Preparação dos �lmes

Os �lmes foram preparados recorrendo à técnica convencional de evaporação do

solvente. No �nal da reacção, o volume reaccional foi transferido para caixas de Petri

(15 mL por caixa) de poliestireno (PS) e deixado arrefecer à temperatura ambiente.

Posteriormente, as soluções foram colocadas numa estufa a 50◦C com copos por cima,

para garantir uma evaporação lenta com formação de �lmes homogéneos.

Adicionalmente, também foram preparados �lmes com 1% w/v de agar puro e AGM

como materiais de controlo para posterior comparação. Procedeu-se à dissolução do

pó ou espuma, respectivamente, em água Milli-Q à temperatura de ebulição durante

5 minutos. Posteriormente, os materiais foram colocados em caixas de Petri e secos de

acordo com o procedimento descrito anteriormente.

2.4 Lavagem dos �lmes

A lavagem dos �lmes após evaporação do solvente é essencial, pois permite remover

o LI que não reagiu e as cadeias de PIL que se possam ter formado nos interstícios

da rede polimérica, não tendo por isso reagido com o GMA. Por outro lado, também

pretendemos aferir se, no caso dos �lmes reticulados, conseguimos reter algum PIL na

matriz após a lavagem.

Assim, os �lmes foram lavados em volumes de 1L de água destilada. A água foi

renovada a cada 2 horas e analisada no espectrofotómetro. O processo foi repetido cerca

de 3 vezes, até que a absorvância no comprimento de onda corresponde ao LI (222 nm)

fosse menor ou igual a 0.01. Os �lmes foram posteriormente secos e armazenados no

exsicador à temperatura ambiente.

2.5 Caracterização física e química dos materiais

sintetizados

Os �lmes de AGM, AGM mod�cado com LI e AGM modi�cado com LI e reticulante

(antes e após lavagem), bem como as substâncias puras (�lme de agar, o GMA e LI)

foram caracterizados de acordo com as técnicas descritas em seguida.

2.5. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA E QUÍMICA DOS MATERIAISSINTETIZADOS 27

2.5.1 Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear de

Hidrogénio

Os espectros foram obtidos a 50 ◦C num espectrofotómetro Bruker Avance III 400

MHz, com uma sonda de detecção TIX 5-mm de ressonância tripla, utilizando DMSO-

d6 como solvente.

Foram preparadas soluções com um volume de 1 mL e uma concentração de 2.5%

w/v para todos os materiais analisados. Estas permaneceram aproximadamente 5 horas

com agitação para que se obtivesse a dissolução completa. Por �m, foram desgasei�-

cadas e colocadas em tubos de RMN para posterior análise.

2.5.2 Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de

Fourier

Utilizou-se um espectrofotómetro infravermelho por transformada de Fourier (Jasco

FT/IR-4200, Japan), em modo de re�exão com uma resolução de 4 cm−1 usando 64

scans, na gama entre 500 e 4000 cm−1. Foram preparadas pastilhas com as espumas

resultantes da primeira parte da reacção. Posteriormente, foram realizadas análises aos

�lmes de agar e AGM, bem como aos �lmes de AGM modi�cado com LI antes e depois

da lavagem, para posterior comparação. No �nal, identi�caram-se os grupos funcionais

de cada composto, bem como as possíveis interacções entre eles, com o objectivo de

comprovar as modi�cações estruturais dos materiais. Cada amostra foi sujeita a uma

análise em triplicata à temperatura ambiente.

2.5.3 Espectroscopia Raman

Os espetros de Raman foram registados à temperatura ambiente num espectróme-

tro Jobin-Yvon T64000 (três monocromadores; distância focal 0,64 m; abertura f/7,5)

equipado com redes de difracção holográ�cas com 1800 estrias/mm, e utilizando uma

altura de fenda de entrada de 200µm. Como sistema de detecção foi utilizado um

detector CCD (Charge Coupled Device) de 1024x256 pixéis (1�) refrigerado por azoto

líquido. Como radiação de excitação foi utilizada a linha 514,5 nm de um laser de ião

Árgon da marca Coherent, modelo Innova 300-05, ajustada de modo a fornecer uma

potência de 15 mW na posição da amostra. O sistema foi calibrado com a linha 521

cm−1 de uma amostra de silício. Nestas condições experimentais, o erro no valor das

frequências é inferior a 1 cm−1. Na análise dos �lmes e do LI puro, con�gurou-se o

aparelho em modo simples/directo. Para a recolha de sinal foi utilizado o microscópio

Olympus BH-2 com objectiva de 50x NA=0,80, o que implica uma geometria de 180◦


entre a radiação incidente e o sistema de recolha (�backscattering�). Os espetros fo-

ram registados usando um tempo de exposição de 60 segundos e 10 acumulações. Na

caso do GMA, dado que se trata de um líquido, o aparelho foi con�gurado em modo

triplo/subtractivo. Foi utilizada uma geometria de 90◦ entre a radiação incidente e

o sistema de recolha. A amostra foi colocada num tubo capilar de vidro Kimax com

um diâmetro interno de 0,8 mm. Os espetros foram registados usando um tempo de

exposição de 10 segundos e 6 acumulações.

2.5.4 Intumescimento em meio aquoso

Amostras de �lmes com aproximadamente 23mg foram pesadas, colocadas em caixas

de poços e guardadas em sílica durante 24h de modo a uniformizar o seu teor de

humidade. De seguida, os �lmes foram colocados em copos com 20mL de água Milli-Q

e os ensaios realizados numa estufa à temperatura de 25◦C. As pesagens realizaram-

se periodicamente de hora a hora durante 8h, após remover o excesso de água com

papel de �ltro. O per�l de intumescimento de cada amostra foi calculado recorrendo à

seguinte equação:

SW (%) =mt −mo

mo

× 100 (2.1)

onde mt é o peso do �lme num dado tempo t e mo é o peso inicial do mesmo (antes da

imersão, em t=0). Os valores apresentados no resultados são referentes à média dos

ensaios realizados em duplicata para cada tipo de �lme, sendo também determinado o

desvio padrão para cada conjunto de valores.

2.5.5 Sorção de Vapor de Água

Amostras de �lmes com aproximadamente 10 mg foram pesadas, colocadas em fras-

cos, secas na estufa a 50 ◦C durante 12h e, �nalmente, deixadas arrefecer no exsicador

de modo a evitar a adsorção de água. De seguida, cada sistema frasco + amostra foi pe-

sado de modo a determinar a massa inicial. A adsorção de vapor foi medida colocando

os frascos dentro de recipientes contendo uma solução saturada de sulfato de potássio

(K2SO4) a 25 ◦C. O valor tabelado para a humidade relativa (HR) para referido sal à

temperatura de 25 ◦C é 97.30 ± 0.45, no entanto sonda utilizada indicava uma uma

HR de ≈ 99%. Cada sistema foi pesado durante 8 horas em intervalos regulares de 2

horas. A SVA foi calculada utilizando a seguinte equação:

SV A(%) =mt −mo

mo

× 100 (2.2)

onde mt é o peso do �lme num dado tempo t e mo é o peso inicial do mesmo (em t=0).

Os valores apresentados no resultados são referentes à média dos ensaios realizados em

2.5. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA E QUÍMICA DOS MATERIAISSINTETIZADOS 29

duplicata para cada tipo de �lme, sendo também determinado o desvio padrão para

cada conjunto de valores.

2.5.6 Caracterização térmica

A TGA foi realizada num equipamento modelo TGA-Q500 (TA Instruments), com

um programa de aquecimento desde a temperatura ambiente até aos 600 ◦C, a uma

taxa de 10 ◦C/min e sob uma atmosfera inerte de azoto (100 mL/min). As análises de

DSC foram realizadas num equipamento modelo DSC-Q100 (TA instruments), com as

amostras seladas em cadinhos e sujeitas a dois programas de aquecimento a uma taxa

de 10 ◦C/min, desde a temperatura ambiente até aos 105 ◦C, para eliminar a história

térmica da amostra. Seguidamente, efectuou-se um aquecimento à mesma taxa, desde

-80 até 200 ◦C, com um �uxo de azoto constante de 50 mL/min. Em ambos os casos,

as amostras foram secas numa estufa a 50 ◦C durante 24h e, posteriormente, mantidas

num exsicador à temperatura ambiente para controlo da humidade, assegurando assim

a reprodutibilidade da análise. As análises foram efectuadas em duplicada para cada

tipo de �lme, utilizando amostras com peso entre 7 e 10 mg.

2.5.7 Microscopia Electrónica de Varrimento

A morfologia da superfície e do corte transversal dos �lmes foi analisada através de

SEM−EDX num microscópio Jeol, modelo JSM 5310 (Japão) com uma tensão operaci-

onal de 10kV. Os �lmes foram congelados com azoto líquido e fracturados, sendo poste-

riormente colocados no suporte e armazenados num exsicador à temperatura ambiente.

As amostras foram revestidas com ouro antes de serem observadas ao microscópio.

2.5.8 Sorção de ASA

Os testes à capacidade de sorção de ASA dos �lmes foram realizados num espec-

trofotómetro (modelo Jasco V-650). Os �lmes foram previamente secos em sílica e de

seguida colocados em soluções de concentração 0.05 mg/mL de ASA em frascos com

10 mL de volume e, posteriormente, postos em agitação (100 rpm) e a 37 ◦C, no ter-

moshaker (Gerhardt). A concentração do fármaco no meio, num dado instante t, foi

determinada através da medição da absorvância do meio de imersão no comprimento

de onda de máxima absorção do fármaco (297 nm), recorrendo à recta de calibração

(Fig. C.3 do Anexo) do mesmo para a água Milli-Q :

Abs = 18.910[ASA], (2.3)


onde Abs corresponde à absorvância e [ASA] à concentração do fármaco, num dado

instante t.

Posteriormente, através da diferença entre a concentração de fármaco inicial do

meio e a concentração do mesmo num dado instante t, foi determinada a massa retida

no �lme. A absorvância da solução foi medida uma vez por dia, durante 8 dias. Os

ensaios foram realizados em duplicata.

Capítulo 3

Resultados e Discussão

Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos neste trabalho, bem como a

respectiva discussão. Primeiramente, será caracterizado o AGM (resultante do enxerto

do GMA na cadeia do agar) e, de seguida, serão apresentados os resultados dos testes

de caracterização do material �nal, resultante da funcionalização do AGM com o LI.

Durante o desenvolvimento deste trabalho veri�caram-se algumas di�culdades, as

quais começaram com a dissolução o biopolímero puro. A amostra de agar apenas é

solúvel em água à temperatura de exactamente 100 ◦C (mesmo para concentrações in-

feriores a 1 wt%), e não a temperaturas de aproximadamente 85/90 ◦C, como referido

na literatura [18]. Este facto, di�cultou o sucesso da primeira etapa de reacção, pois

di�cultava o acesso do GMA aos grupos hidroxilo do agar por este não se encontrar

totalmente solubilizado (reacção em fase heterogénea). De seguida, existiram di�cul-

dades na de�nição do processo de remoção do GMA não reagido, pois concluiu-se que

a lavagem do AGM várias vezes em soluções de etanol e água (o GMA é mais solúvel

em solventes orgânicos do que em água, ao contrário do agar) e posterior diálise (em

grandes volumes de água, com agitação mecânica, várias mudanças de água durante o

dia e durante 5 dias) além de extremamente morosa, não era e�ciente. A solução en-

contrada foi, como referido anteriormente, a lavagem do AGM (geli�cado após reacção)

por várias vezes em 800 mL de água e remoção do produto �nal por �ltração. Outra

di�culdade consistiu na impossibilidade de dissolver o AGM em água mesmo em con-

centrações de 0.5 wt%, o que impossibilitava a avaliação da extensão da incorporação

do GMA, pois não era possível obter espectros de H-RMN bem de�nidos. Este obstá-

culo foi superado usando DMSO-d6, como solvente no qual é possível dissolver o AGM

com concentrações de 2.5 wt%, valor que permite a obtenção de espectros conclusivos.

Em suma, as principais di�culdades consistiram na optimização da reacção de fun-

cionalização do agar com o GMA, tanto na dissolução do polímero puro, bem como na

optimização do processo síntese, puri�cação, secagem e dissolução do AGM. Além disso,

31

32 CAPÍTULO 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

por vezes eram obtidas após reacção soluções com propriedades ópticas totalmente di-

ferentes (transparentes ou brancas) mesmo quando as reacções eram preparadas em

simultâneo e exactamente nas mesmas condições. Veri�cou-se através de FTIR e RMN

que estas soluções possuíam propriedades químicas totalmente diferentes e que só no

caso das soluções transparentes é que o GMA havia sido incorporado. Posteriormente,

procurou-se identi�car a variável responsável por esta variabilidade mas o estudo não

foi conclusivo. No entanto, é possível que esta variabilidade seja devida à própria

variabilidade inerente ao biopolímero ou à instabilidade da molécula de GMA (mais

propriamente do anel epóxido) em meio aquoso e a 60◦C (condições de�nidas para a

primeira etapa da reacção).

Apesar dos esforços realizados na optimização das condições de síntese (foram efec-

tuadas aproximadamente 25 sínteses na tentativa de melhorar os resultados), não foi

possível preparar um lote de AGM em menos de 8 dias e com rendimentos superiores a

60%. Os factos supra referidos impediram a optimização da reacção de funcionalização

do AGM com LI bem como a determinação dos per�s de libertação do fármaco com a

aplicação de um estímulo eléctrico, em tempo útil.

3.1 Caracterização do AGM

As espectroscopias de RMN e IR são ferramentas poderosas de análise que fornecem

informação sobre as estruturas moleculares poliméricas, permitindo identi�car altera-

ções após a modi�cação química dos polissacarídeos [71, 17]. Assim, estas técnicas

foram utilizadas para veri�car a incorporação do GMA na cadeia polimérica do agar,

em função das condições de síntese estudadas, nomeadamente: diferentes tempos (3,14

e 24 horas), razões molares GMA-OH (1:4 ou 1:1) e em dois solventes distintos (água

e DMSO).

Nesta secção, primeiramente será apresentado um estudo detalhado dos espectros

RMN e IR das substâncias puras (agar e GMA) e, posteriormente, analisar-se-ão os

espectros RMN e IR do AGM nas diversas condições exprimentais estudadas.

Na �gura 3.1a, encontra-se o espectro 1H-RMN do agar puro, correspondendo o

sinal assinalado (3.43ppm) ao sinal que foi utilizado como referência para a integração.

Este sinal corresponde ao grupo metilo na 6-O-metil-D-galactose, o qual não reage com

o GMA, sendo por isso indicado para referência [21, 20]. Adicionalmente, é possível

observar um sinal a 5.28 ppm (não observável no espectro da Fig. 3.1a) correspondente

ao H-1 da 6-sulfato-α-L-galactose, comprovando que a nossa amostra possui grupos

sulfato (tal como indicado pelo fornecedor) [21].

O espectro 1H-RMN do GMA encontra-se na �gura 3.1b, sendo que os sinais assi-

3.1. CARACTERIZAÇÃO DO AGM 33

nalados a 6.07 e 5.72 ppm representam os dois protões da ligação vinílica (δvinil−H) e o

sinal a 1.91 ppm (δCH3), corresponde aos hidrogénios do grupo metilo ligado ao carbono

vinílico [32, 33, 21, 30, 72, 20]. Por conseguinte, foram estes os sinais procurados nos

espectros do AGM nas várias condições e para os quais, se procedeu, posteriormente,

à integração. Os valores da integração dos sinais do AGM sintetizado nas diferentes

condições, encontram-se compilados na tabela 3.2. Todos os grá�cos resultantes do

processo de integração encontram-se disponíveis no Apêndice. Além destes sinais, fo-

ram procuradas evidências espectroscópicas da presença do espaçador glicerilo (5.20

ppm) e do GDOL (2.98 ppm). A presença do primeiro comprova, como referido an-

teriormente, que a reacção ocorreu por abertura do anel epóxido, enquanto o segundo

demonstra que a reacção ocorreu por transesteri�cação [30, 31].


1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0f1 (ppm)

3.43

(a) Agar puro

(b) GMA

Figura 3.1: Espectros 1H-RMN do agar puro (a), indicando o sinal utilizado como como

referência na integração (3.43 ppm) e do GMA (b), assinalando os protões da ligação vinílica

e do grupo metilo ligado a um dos carbonos dessa ligação.

Relativamente à espectroscopia IR, a banda mais proeminente no espectro do agar

(�gura 3.2 (b)) ocorre para uma frequência de 1034 cm−1 e deve-se à elongação C-O


com contribuição de vários modos vibracionais (CO, CC). Os sinais observáveis a 1363,

1240-1260, 1149, 866 e 820 cm−1 comprovam a presença de grupos sulfato na cadeia

polimérica do agar, como referido pelo fornecedor. As bandas a 930 e 889 cm−1 são

especí�cas do agar, sendo a primeira intensa nos espectros IR mas fraca nos espectros

Raman. As bandas características do agar e do GMA puros, encontram-se compiladas

na tabela 3.1.

(b)

(a) 60070080090010001100120013001400150016001700180019002000

número de onda (cm-1)

Figura 3.2: Espectros IR do GMA (a) e do agar (b)).

Posteriormente, identi�caram-se as bandas correspondentes ao grupos vinílico

(C=C) e carbonilo (C=O) do GMA (�gura 3.2 (a)), para veri�car a presença do

mesmo no AGM. De acordo com a literatura, os sinais correspondentes ao grupo viní-

lico e carbonilo encontram-se a 1637 e 1715 cm−1, respectivamente. Através da análise

da tabela, podemos concluir que o agar possui um sinal largo de 1621-1653 cm−1, in-

tervalo no qual está contida a frequência de vibração do grupo vinílico do GMA. Este

sinal deve-se provavelmente à presença de resíduos de proteínas na amostra [73, 11, 16].

Por conseguinte, para provar a incorporação de GMA na cadeia do agar, apenas foi

identi�cado no espectro do AGM o sinal correspondente ao grupo carbonilo do GMA.

Adicionalmente, estudou-se a presença dos sinais correspondentes às frequências de

vibração do anel epóxido, os quais provariam que, ou a reacção correu por transesteri-

�cação (resíduos de GDOL) ou que nem todo o GMA que não reagiu foi removido na

lavagem.


Tabela 3.1: Comparação dos valores experimentais e teóricos das frequências características

dos espectros IR para o agar e GMA. d, deformação; ν, elongação; assim, assimétrica.

Número de onda (cm-1)

Amostra Valor Experimental Valor Referência Ligações/ grupos Referências

Agar

1621−1653 1625, 1640, 1650 proteínas (amida I)

[74]

[16]

[11]

1363 1370 grupos sulfato

[75]

[19]

[10]

1240−1260 1240, 1250 νassim O=S=O

[75]

[74]

[19]

1149 1149 ligação ester sulfato [10]

1063 1070 CO da 3,6−anidro−D−galactose

[75]

[74]

[19]

[76]

1034 1038νCC, νCO

[17]

[10]

965 965 [77]

930 930 3,6−anidro−D−galactose[75]

[19]

[10]

889 890

dCH no carbono

anomérico dos resíduos

β−galactose

[19]

[10]

866 867 C−O−SO3 no C−6 da

galactose

[76]

[19]820 820

770 770 [17]

[75]

[74]735 740

dC-O-C das

ligações glicosídicas

713 716

GMA

1715 1718 νC=O [78]

[79]

[32]

1637 1635 νC=C

905 905νassim anel epóxido

941 945 [29]

Nas seguintes subsecções, primeiramente serão apresentadas as conclusões relativa-

mente à espectroscopia RMN e, de seguida, serão analisados os espectros IR relativos

às reacções efectuadas.


3.1.1 Síntese em meio aquoso

Após a lio�lização, todas as amostras de AGM apresentavam um aspecto de espu-

mas de cor branca, sendo pouco densas e muito �exíveis (Fig. 3.3). O rendimento das

reacções foi de aproximadamente 60% em todos os casos.

Figura 3.3: Aspecto das amostras de AGM após lio�lização.

Através da análise dos grá�cos RMN da �gura 3.4, é possível concluir que a razão

molar vinil/hidroxilo igual a 1/4 não favorece o enxerto do GMA, pois em nenhum dos

casos (3 e 14h) se observa a presença dos protões da ligação vínilica do GMA.

Observando os espectros IR apresentados na �gura 3.5, podemos concluir que

ambas as amostras de AGM apresentam um pequeno sinal a aproximadamente 1725

cm−1 e não apresentam sinais correspondentes ao anel epóxido, factos que indicam que

existe GMA enxertado na cadeia polimérica do agar ou que não foi removido todo o

GMA que não reagiu.


1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0f1 (ppm)

(a) tempo de reacção=3h

1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0f1 (ppm)

1.90

3.43

(b) tempo de reacção=14h

Figura 3.4: Espectros 1H-RMN do agar modi�cado com uma razão molar de vinil/hidroxilo

igual a 1/4.


(c)

(b)

(a)

(d)

60070080090010001100120013001400150016001700180019002000


Figura 3.5: Espectros IR do GMA (a), AGM com uma razão molar vinil/hidroxilo igual a 1/4

e reacção durante 3h (b), AGM com uma razão molecular igual a 1/4 e reacção durante 14h

(c) e agar (d).

No caso da modi�cação realizada com uma razão vinil/hidroxilo igual a 1 (Fig. 3.6),

todos os sinais espectrais do GMA que provam que a modi�cação foi bem sucedida são

observáveis, tanto para a reacção de 14h como para a de 24h. Além disso, a razão de

integrais δCH3/δvinil−H é igual a 3 em ambos os casos, como seria de esperar dado que

o primeiro corresponde ao sinal proveniente de três hidrogénios, enquanto o segundo

provém de um apenas. No entanto, quando comparados os valores dos integrais da

reacção de 14h com a de 24h (tabela 3.2), podemos concluir que os valores são muito

próximos.

Tabela 3.2: Valores da integração dos sinais 6.05, 5.7 e 1.9 ppm relativamente ao sinal de refe-

rência (3.43 ppm), para todas as condições experimentais de modi�cação do agar estudadas.

sinais (ppm)

Solvente Tempo de reacção (h) Razão GMA:OH 6.05 5.7 1.9 3.43

Água

3 1:4 0.083 0.027 1.494

10014

1:4 - - 1.05

1:1 0.91 0.83 2.72

241:1

0.81 0.74 2.28

DMSO 24 5.28 7.86 19.51


1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0f1 (ppm)

1.91

3.44

5.29

5.69

6.09


1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0f1 (ppm)

1.91

3.44

5.29

5.69

6.08


Figura 3.6: Espectros 1H-RMN do agar modi�cado com uma razão molecular de vi-

nil/hidroxilo igual a 1.

Relativamente aos espectros IR destas amostras, podemos concluir através da ob-

servação da �gura 3.7, que se veri�ca uma alteração na proporção dos sinais 1063 e

1064 cm−1 destas amostras relativamente ao agar. Dado que estes sinais correspondem

a frequências de vibração do anel glicosídico, esta alteração de poder-se-á dever a uma

modi�cação na estrutura polimérica do agar devido à inclusão da molécula de GMA.

No entanto, em nenhum caso é observável o sinal correspondente ao grupo carbonilo

do GMA. Este grupo é observável nos espectros IR das amostras preparadas com


uma razão molar vinil/hidroxilo igual a 1/4 (Fig. 3.5) apesar de não ser visível nas

amostras preparadas com uma razão vinil/hidroxilo igual a 1. Contudo, estes resultados

são contraditórios comparando com os valores obtidos na integração espectros 1H-

RMN. Assim, podemos concluir que possivelmente o FTIR-ATR sendo uma técnica de

superfície, não é su�cientemente precisa para que a modi�cação seja observável e que

os sinais do grupo carbonilo observáveis nos espectros com razão vinil/hidroxilo igual

a 1/4 poderão dever-se a resíduos de GMA que não reagiu.

(c)

(b)

(a)

(d)

60070080090010001100120013001400150016001700180019002000


Figura 3.7: Espectros IR do GMA (a), AGM com uma razão molar vinil/hidroxilo igual a 1

e reacção durante 14h (b), AGM com uma razão molecular igual a 1 e reacção durante 24h

(c) e agar (d).

3.1.2 Síntese em DMSO

Na literatura encontram-se descritas reacções de enxerto de GMA em cadeias de

biopolímeros utilizando solventes orgânicos, como o DMSO [72]. Como anteriormente

referido, existem duas vias possíveis na modi�cação de polímeros naturais ou sintéticos

com GMA: o mecanismo de abertura do anel epóxido e a transesteri�cação. O me-

canismo de reacção do GMA com o dextrano, utilizando o DMSO como solvente, foi

estudado por Djik-Wolthuis et al. Os autores concluíram que quando é utilizado um

solvente polar aprótico, o mecanismo predominante é a transesteri�cação, originando

GDOL como subproduto [72].

Contudo, tendo em conta que um dos objectivos deste trabalho era a realização

das sínteses em meio aquoso, evitando a utilização de solventes orgânicos, a síntese em

DMSO foi realizada apenas numa condição experimental (24h e razão vinil/hidroxilo


igual a 1) para efeitos de comparação. O espectro 1H-RMN obtido neste caso é apre-

sentado na �gura 3.8. O valor dos integrais dos sinais estudados, é aproximadamente 8

vezes superior ao valor dos sinais correspondentes à modi�cação realizada em água com

uma relação vinil/hidroxilo igual a 1, como pode ser concluído através da análise da

tabela 3.2. Por conseguinte, a utilização deste solvente conduz a um grande aumento

do grau de modi�cação do agar com o GMA. No entanto, este lote não foi utilizado na

produção dos �lmes com LI, sendo esta síntese apenas um teste preliminar.

1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0f1 (ppm)

1.91

3.44

5.68

6.07

Figura 3.8: Espectro 1H-RMN do agar modi�cado em DMSO durante 24h e com uma razão

molar vinil/hidroxilo igual a 1.

Analisando os espectros da �gura 3.9, é possível veri�car a presença de um sinal

relativamente intenso na gama de frequências do grupo carbonilo do GMA, tal como

seria de esperar após os resultados obtidos por espectroscopia RMN.


(c)

(b)

(a)

60070080090010001100120013001400150016001700180019002000


Figura 3.9: Espectros IR do GMA (a), AGM com uma razão molar vinil/hidroxilo igual a 1

e reacção durante 24h (b) e agar (c).

Por �m, é importante notar que em nenhuma das amostras de AGM sintetizadas em

meio aquoso se detectou o sinal correspondente ao GDOL nos espectros RMN, nem os

sinais relativos ao anel epóxido nos espectros FTIR. Como tal, podemos a�rmar que as

reacções modi�cação do agar ocorreram por abertura do anel epóxido do GMA, como

pretendido. Finalmente, concluiu-se que a razão vinil/hidroxilo igual a 1/4 não favorece

o enxerto do GMA e que, no caso das amostras com uma razão vinil/hidroxilo igual

a 1, devido à semelhança entre espectros IR e aos valores dos integrais das amostras

de 14h e 24h, não se justi�ca uma reacção de 24h nestas condições experimentais.

Assim, no caso da síntese em meio aquoso, as condições mais favoráveis são a razão

vinil/hidroxilo igual a 1 e o tempo de reacção de 14h sendo, por conseguinte, estas as

amostras utilizadas na síntese dos �lmes.

Relativamente ao cálculo do DS de GMA na cadeia do agar, este pode ser calculado

recorrendo à seguinte expressão:

DS(%) =A(H1)+A(H2)

2A(H1)+A(H2)

2+ A(OH)

× 100 (3.1)

onde A(H1)+A(H2)2

representa a média aritmética das áreas dos sinais de 1H-RMN

correspondentes ao hidrogénios da ligação vinílica do GMA (6.07 e 5.72 ppm) e A(OH)

corresponde à área/somatório das áreas dos sinais de 1H-RMN correspondentes aos

hidrogénios dos grupos hidroxilo do agar [80, 81, 82].


No entanto, não foi possível calcular o valor do DS das amostras de AGM pois não

foi encontrada informação na literatura relativamente ao sinal/sinais correspondentes

ao aos hidrogénios dos grupos hidroxilo do agar para espectros de 1H-RMN. Essa

informação existe para os espectros 13C-RMN do agar (ou seja, para os carbonos que

se encontram ligados a grupos hidroxilo), no entanto devido à difícil dissolução do agar e

do AGM, não foi possível preparar soluções com concentrações su�cientemente elevadas

para obter bons espectros de 13C-RMN [83]. Na Fig. A.5 do Apêndice encontra-se um

exemplo de um espectro de 13C-RMN do AGM obtido, onde se pode veri�car a presença

de muito ruído.

3.2 Caracterização do AGM modi�cado com LI

Como anteriormente referido, para efectuar a modi�cação do AGM com o LI,

utilizaram-se apenas amostras de AGM preparadas com uma relação vinil/hidroxilo

igual a 1 e tempos de reacção de 14h.

3.2.1 Espectroscopia Vibracional

FTIR-ATR e Raman são duas técnicas de espectroscopia vibracional que fornecem

informação detalhada relativamente às propriedades e estrutura dos materiais ao nível

molecular [17]. Ambas as técnicas utilizam pequenas quantidades de amostra (estado

líquido ou sólido), são não destrutivas, são relativamente rápidas e possuem uma

exactidão con�ável [17, 36].

A espectroscopia Raman não é tão frequentemente utilizada quanto a espectroscopia

IR, pois a maioria dos compostos orgânicos apresentam �uorescência ou possuem

impurezas que causam o mesmo fenómeno quando irradiados com um laser de

comprimento de onda na zona do visível [77]. Assim, a aquisição de um espectro com

uma boa relação sinal-ruído é um processo mais lento do que na espectroscopia IR

[17]. No entanto, devido às diferenças na instrumentação, bandas de baixa intensidade

ou mesmo ausentes no FTIR, podem aparecer mais intensas e estreitas nos espectros

Raman [76]. Por conseguinte, as duas técnicas são complementares, permitindo uma

melhor interpretação dos espectros vibracionais, tendo por isso sido ambas utilizadas

neste trabalho.

3.2.1.1 Raman

Primeiramente efectuou-se um estudo detalhado do espectro do agar puro

(Fig. 3.10), determinando a suas bandas características (Tabela 3.3) e comparando

3.2. CARACTERIZAÇÃO DO AGM MODIFICADO COM LI 45

as mesmas com as obtidas na espectroscopia FTIR-ATR. A banda mais proeminente

no espectro Raman ocorre para uma frequência de 1079 cm−1 e deve-se à elongação C-

O com contribuição de vários modos vibracionais (CO, CC, CCO, COH), tal como no

FTIR. A banda observável a 867 cm−1 corresponde à posição C-6 da galactose quando

esta se encontra sulfatada ou seja, quando o grupo substituinte é o OSO3 e não o CH,

con�rmando que o agar utilizado neste trabalho possui uma pequena quantidade de

enxofre, como referido pelo fornecedor. As bandas a 770 e 740 cm−1 correspondem à

vibração molecular de deformação da galactose, sendo intensas nos espectros Raman

mas fracas nos espectros FTIR-ATR. Por �m, a banda observável a 837 cm−1 corres-

ponde à vibração molecular do grupo CH acoplada com os modos vibracionais C-OH no

resíduo metil da 3,6-anidro-D-galactose, encontra-se ausente nos espectros FTIR-ATR.

Figura 3.10: Espectro Raman do agar, onde se pode observar (caixa cinzenta) o pequeno sinal

correspondente à posição C-6 da galactose sulfatada.



dos espectros Raman para o agar, GMA e LI. É importante notar que os valores teóricos para o

LI são referentes ao 1-Allyl-3-methylimidazolium chloride ([Amim]Cl) e não ao LI utilizado, o

[Bvim]Cl (Fig. 3.12). d, deformação; ν, elongação; An, anel; assim, assimétrica; ω, oscilação.


Amostra Valor Experimental Valor teórico Ligações/ grupos Referências

Agar

1475 1470 dCH2

[77]1282 1285

modos vibracionais

CO, COH, HCO, HCC

1252 1240-1260 ν=SO [76]

1081 1079

νCO

modos vibracionais

CO, CC, CCO, COH

[17]

[77]

966 965 νCO [77]

935 930 3,6-anidro-D-galactose

[17]

890 890 dCH

844 837

vibração CH

modos de vibração C-OH

no resíduo metil

3,6-anidro-D-galactose

773 770dAn galactose

743 740

871 867posição C-6 da

galactose sulfatada[76]

GMA1718 1718 νC=O

[78]

[79]

[32]1640 1635 νC=C

LI

1656 1644νCC

[35]

1573 1572

1551 1548 νCN, dCH, dCNC

1420 1411 dCH, νCN

1371 1380 νCN

1116 1114dassimAn

1026 1026

1008 1011 ωCH

Com o intuito de avaliar se o GMA fora incorporado na cadeia polimérica do AGM,

identi�caram-se as bandas correspondentes ao grupo carbonilo e à ligação vinílica no

espectro do GMA puro (Fig. 3.11 (a)). Estas encontram-se a 1718 e 1635 cm−1 e,

correspondem às vibrações de elongação C=O e C=C, respectivamente. Assim, através

da análise da �gura 3.11, podemos concluir que não se observam diferenças entre os


espectros de agar e AGM, o que signi�ca que a modi�cação obtida deverá ter sido baixa

e inferior ao limite de detecção da técnica.

Figura 3.11: Espectro Raman do GMA puro (a), AGM (b) e agar (c).

Relativamente aos �lmes com e sem reticulante não lavados (Fig. 3.13 (b) e Fig. B.1

(b)), podemos concluir que estão presentes as principais bandas do LI, as quais também

se encontram resumidas na tabela 3.3. É importante notar que os valores teóricos

apresentados na tabela correspondem aos resultados obtidos por Xuan et al. com um

LI diferente do que foi utilizado neste trabalho, o [Amim]Cl. A comparação entre

a estrutura química do LI utilizado neste trabalho e o [Amim]Cl é apresentada na

�gura 3.12. Nesse trabalho, os autores calcularam computacionalmente as estruturas,

con�gurações estáveis, interacções iónicas e ligações de hidrogénio obtendo por �m, um

espectro vibracional teórico. Este foi posteriormente comparado com os dados obtidos

experimentalmente, tendo sido obtida uma boa correlação [35].

(a) (b)

Figura 3.12: Estrutura química do LI utilizado neste trabalho, o [Bvim]Cl (a), e do LI utilizado

para establecer a correspondência entre os sinais espectrais e as ligações/grupos correspon-

dentes, o [Amim]Cl (b).

Comparando os espectros dos �lmes com e sem reticulante não lavados (grá�co não

apresentado), podemos a�rmar que não se veri�ca qualquer in�uência do reticulante


pois não é possível observar diferenças entre os mesmos. Dado que não se veri�cam

diferenças entre estes, apresentam-se apenas os espectros dos �lmes sem reticulante la-

vados, sendo que os espectros dos �lmes com reticulante lavados podem ser consultados

no Apêndice (Fig. B.2).

Através da análise do grá�co da �gura 3.13, podemos veri�car a presença de um

pequeno sinal a 1655 cm−1 (caixa cinzenta), correspondente à elongação CC do LI.

Analisando o espectro individualmente, para que as suas bandas sejam mais intensas

(Fig. 3.14), veri�camos efectivamente a presença deste sinal e, adicionalmente, de uma

banda a aproximadamente 1559 cm−1 correspondente às vibrações moleculares de elon-

gação CN e deformação CH e CNC do LI (caixa cinzenta). Resultados semelhantes

foram obtidos para os �lmes com reticulante lavados (Fig. B.2 do Apêndice). Assim,

podemos concluir que uma percentagem de LI �cou retido no polímero, sendo que

poderá ter �cado retido nos interstícios da cadeia polimérica sob a forma de LI/PIL,

ligado covalentemente à cadeia polimérica após reagir com as ligações vinílicas do AGM

ou ambos.


Figura 3.13: Espectro Raman do LI puro (a), �lme sem reticulante (b), �lme sem reti-

culante lavado (c) e AGM (d).

Figura 3.14: Espectro Raman do �lme sem reticulante lavado, onde se pode observar um

pequeno sinal a 1655 cm−1 e uma banda a 1559 cm−1 (caixa cinzenta) correspondentes

às vibrações νCC e νCN, dCH e dCNC, respectivamente, do LI.


3.2.1.2 FTIR-ATR

Dado que os espectros IR do agar, GMA e AGM foram analisados no subcapítulo

anterior, em seguida são analisados apenas os espectros IR dos �lmes de AGM modi-

�cados com LI. A atribuição dos sinais especí�cos do LI encontra-se na tabela 3.4 e,

tal como na espectroscopia Raman, os valores teóricos apresentados foram retirados do

trabalho de Xuan et. al [35].


dos espectros IR para o LI. É importante notar que os valores teóricos são referentes ao

[Amim]Cl e não ao LI utilizado, o [Bvim]Cl (Fig. 3.12). d, deformação; ν, elongação; An,

anel; assim, assimétrica; sim, simétrica; ω, oscilação.


Valor Experimental Valor Referência Ligações/ grupos

1653 1645νCC

1566 1572

1541 1548 νCN, dCH, dCNC

1488 1485

dCH1468 1470

1433 1431

1339 1337νCN, dCH, dCNC

1320 1315

1297 1297 νCC, dCH

1290 1284dCH

1247 1240

1159 1167 dassimAn, dCH

1133 1134 dassimAn

1019 1026 dsimAn

933 997 ωCH, dsimAn

959 956 ωCH

923 918 ωCH, νCC

818 820ωCH

722 724

681 677 νCN, dassimAn

À semelhança do que foi veri�cado na espectroscopia Raman, não se veri�cam

diferenças entre os espectros dos �lmes com e sem reticulante lavados (grá�co não

apresentado). Assim, só serão analisados os espectros dos �lmes sem reticulante, sendo


que todos os espectros referentes aos �lmes com reticulante podem ser consultados nos

Apêndices.

Através da comparação dos espectros do LI puro e do AGM (Fig. 3.15), é possível

concluir que os sinais a 1566 e 1541 cm−1 e correspondentes à elongação CC e CN e

deformação CH e CNC do LI, são ideais para veri�car a presença de LI após a lavagem,

dado que o AGM não possui sinais entre 1600-1500 cm−1.

60070080090010001100120013001400150016001700180019002000


(c)

(b)

(a)

(d)

Figura 3.15: Espectros IR do LI (a), �lme sem reticulante (b), �lme sem reticulante lavado

(c) e AGM (d).

Assim, devido à ausência destes sinais no espectro do �lme sem reticulante lavado,

é possível concluir que praticamente todo o LI retido na matriz do AGM estaria sob

a forma de LI ou PIL, e que deverá ter sido removido praticamente na sua totalidade,

durante o processo de lavagem. Resultados semelhantes foram obtidos no caso dos

�lmes reticulados (Fig. A.4 do Apêndice).

3.2.2 Intumescimento em meio aquoso

Os ensaios de intumescimento são importantes para compreender os per�s de li-

bertação de fármaco através dos hidrogéis. Segundo Reis et al., a penetração da água

inicia-se com a interacção das moléculas de água com os grupos polares mais expostos

do material, gerando-se, posteriormente, um gradiente de concentração na superfície do

mesmo. Devido à progressão do processo de hidratação, formam-se poros na superfície,

permitindo a difusão de água no hidrogel [2].


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50 60 70

Swel

ling

(%)

tempo (h)

(a)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Swe

llin

g (%

)

tempo (h)

(b)

Figura 3.16: Grá�cos relativos aos ensaios de intumescimento das amostras de agar, AGM

e �lmes sem/com reticulante antes e após a lavagem até 72h e até 8h. Os ensaios foram

realizados em duplicata.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50 60 70

Swel

ling

(%)

tempo (h)

Agar AGM s/ reticulante

s/ reticulante lavados c/ reticulante c/ reticulante lavados

Como é possível observar no grá�co da �gura 3.16 (a), todos os �lmes atingem o

equilíbrio de sorção de água em tempos de imersão inferiores a 25h. O material com

maior capacidade de absorção de água é o biopolímero puro (≈ 600%), sendo o seu

grau de intumescimento mais de três vezes superior ao do AGM (≈ 180%). Estes

resultados são semelhantes aos obtidos por Crispim et al., aquando da modi�cação

do PVA com GMA, onde veri�caram que o polímero puro era mais hidrofílico que o

modi�cado (PVA-GMA) [47]. Por conseguinte, estes resultados con�rmam que o agar

foi efectivamente modi�cado com o GMA. O ensaio foi prolongado no tempo (até 75h)

com o intuito de analisar a estabilidade dos �lmes em meio aquoso. Após este tempo, as

amostras foram secas e novamente pesadas para quanti�car a perda de massa dos �lmes.

Os resultados são apresentados na Tabela 3.5. As perdas de massa calculadas para os

�lmes de agar e AGM são semelhantes (≈ 5%) e relativamente baixas, indicando que os


�lmes são estáveis após 75h de imersão. Os �lmes com IL apresentam uma capacidade

sorção de água menor que o AGM, como se pode veri�car na Fig. 3.16 (b). Os �lmes

com reticulante lavados apresentam uma capacidade de intumescimento ligeiramente

superior (≈ 124%) aos �lmes sem reticulante lavados (≈ 94%). Seria de esperar um

comportamento inverso, uma vez que os materiais reticulados devem absorver menos

água pois a reticulação diminui o volume livre existente entre as cadeias da estrutura

polimérica. Contudo, e de acordo com a perda de massa dos �lmes apresentada na

Tabela 3.5, veri�ca-se que os �lmes não reticulados lavados são menos estáveis (perda

de massa ≈ 15%) quando comparados com os �lmes reticulados lavados (perda de

massa ≈ 3,5%). Desta forma, o valor obtido para a capacidade de sorção de água

do �lme não reticulado pode ter sido afectado pela menor estabilidade do �lme em

meio aquoso. No entanto, é possível concluir que os �lmes modi�cados com LI lavados

absorvem ≈ 100% de água e, portanto, menos 500% e 80% que o agar e o AGM,

respectivamente, ao �m de 8h de imersão. Além disso, a reticulação dos �lmes melhora

a estabilidade dos mesmos em meio aquoso. No caso dos �lmes não lavados, seria de

esperar um aumento do grau de intumescimento devido ao maior número de cargas

existentes na matriz do agar, dada a presença de IL e/ou de cadeias de PIL de baixo

peso molecular. No entanto, estes são os �lmes que apresentam menor capacidade de

absorção de água (Fig. 3.16 (b)). Além disso, veri�ca-se uma diminuição da capacidade

de sorção após 4h de imersão em água. Esta diminuição está certamente relacionada

com a perda de massa observada por estes �lmes, a qual foi de ≈ 50% para os �lmes

com e sem reticulação (Tabela 3.5). O espectro de UV-Vis do meio de imersão (após

�ltração) permitiu comprovar a libertação de LI, pois é possível observar um sinal com

intensidade elevada (superior a 3) correspondente ao comprimento de onda de absorção

máxima do LI (222nm). Este valor foi determinado experimentalmente aquando do

cálculo da recta de calibração do LI (Fig. C.1 do Apêndice). Este resultado con�rma

que uma quantidade signi�cativa de LI não reagiu e foi libertada para o meio de imersão

durante o ensaio.


Tabela 3.5: Valores relativos à percentagem de massa perdida por cada amostra nos ensaios

de intumescimento e respectivos valores de absorvância do meio de análise. Os valores apre-

sentados são valores médios pois os ensaios foram em duplicata. A absorvância do �lme puro

foi medida como controlo.

Amostra % massa perdida média Absorvância média

Agar 5.22 0.07

AGM 4.56 -

�lme sem reticulante 49.44 > 5(sinal saturado)

�lme sem reticulante lavado 3.48 0.26

�lme com reticulante 51.9 3.18

�lme com reticulante lavado 14.6 0.18

Spinks et al. estudaram o comportamento de hidrogéis de quitosano num sistema

binário LI-água, tendo concluído que era possível preparar os hidrogéis através da adi-

ção do LI ao mesmo, o que signi�ca que os iões são capazes de se movimentar na rede

polimérica [48]. Takahashi et al., analisaram o intumescimento do agar em várias con-

dições utilizando um LI hidrofílico, o 1-butyl-3-methylimidazolium tetra�uoroborate

([Bmim][BF4]). Os autores concluíram que o [Bmim][BF4] interagia com a água for-

mando ligações de hidrogénio fracas BF−4 · ··H-O-H· · ·BF−

4 , as quais permaneciam até

temperaturas de 200◦C [39]. Logo, podemos concluir que o LI poderá ter sido solvatado

devido à sua a�nidade com a água e ter-se deslocado para fora da matriz polimérica (a

favor do gradiente de concentração).

A partir das 8h, era possível observar no meio pequenos pedaços de �lme (dissolução

parcial da matriz) no caso dos �lmes lavados sem reticulante (perda de massa de ≈15%) e dos �lmes não lavados (perdas de massa de ≈ 50%). Por conseguinte, nestes

casos, a diminuição da massa do �lme não poderá ser apenas devida à saída do LI.

Possivelmente, quando o LI e/ou o PIL que se encontrava retido nas cadeias começa a

sair, estas �cam menos compactas, tornando-se mais frágeis. Contudo, todos os �lmes

lavados são mais robustos que os respectivos �lmes antes da lavagem, sendo que os

�lmes com reticulante lavados mantiveram-se praticamente intactos durante a análise.

Assim, para os �lmes reticulados a percentagem de massa perdida pelos �lmes não

lavados é 4 vezes superior à percentagem perdida pelos �lmes lavados, sendo que no

caso dos �lmes não reticulados este valor sobe para 14.

Recorrendo à recta de calibração da solubilização do LI em água (Fig. C.1 do

Apêndice) e sabendo o volume de solvente, é possível estimar a massa de LI libertada.

No entanto, neste caso esse valor é inconclusivo, pois não é conhecida a massa inicial de

LI na porção de �lme utilizada no teste pois, apesar de não terem sido feitos testes para


aferir sobre a homogeneidade dos �lmes, o seu aspecto indica que estes são heterogéneos.

Por conseguinte, não foi possível estimar a percentagem de massa de LI libertada nem

a massa que o material reteve.

Com o intuito de impedir a lixiviação de LI, para que fosse possível analisar a

in�uência do mesmo na capacidade de reter água do material, e de evitar perdas de

massa por parte do �lme, efectuou-se a análise de sorção de vapor de água nas mesmas

condições. No próximo subcapítulo, apresentamos os resultados dessa análise.

3.2.3 Sorção de Vapor de Água

A sorção de vapor de água permite estudar o mecanismo de interacção entre os

grupos funcionais do polímero e a água evitando perdas de massa por dissolução do

polímero ou lixiviação do LI. A hidro�licidade do polímero é muito importante pois in-

�uencia a difusão de carga através do hidrogel, bem como as suas propriedades térmicas

e mecânicas [84].

A capacidade de sorção de vapor de água dos �lmes depende do volume livre e do

tipo, carga e número de grupos disponíveis para interagir com água [85, 86, 84]. Por

exemplo, Svagan et al., estudaram o efeito de nano�bras de celulose na sorção de vapor

de água de uma matriz de amido, tendo concluído que esta diminuía com o aumento

da percentagem de celulose dado que esta possui uma ordem molecular mais elevada

que o amido, sendo por isso menos higroscópica. Assim, é de esperar que as regiões

amorfas (desorganizadas) ao longo das cadeias sejam mais acessíveis à interacção com

as moléculas de água [86]. Todavia, o tipo e número de locais de sorção disponíveis

para interagir com a água também são de grande importância na SVA. Uma evidência

desse facto foi o trabalho realizado por Cathala et al., no qual estudaram a sorção

de água do complexo pectina-dehydrogenation polymer (DHP), tendo veri�cado que a

pectina era o material que possuía uma maior capacidade de sorção, pois trata-se de

um polissacarídeo aniónico e que possui um maior número de locais de sorção. Por ou-

tro lado, o DHP, sendo um polímero neutro, apresentava os menores valores de sorção.

As restantes amostras, constituídas por diferentes percentagens de ambos os polímeros,

apresentavam capacidades de sorção intermédias, como seria de esperar [87].No caso do

agar, é de esperar que este possua uma SVA relativamente elevada devido à presença

dos grupos sulfato (carregados negativamente). Sousa et al., estudaram estratégias

para diminuir a hidro�licidade de �lmes de agar para embalagens alimentares, estu-

dando misturas de agar e goma de alfarroba. Os autores veri�caram que o agar sem

qualquer tratamento (nativo), possui uma maior a�nidade com a água do que o agar

que foi sujeito a um tratamento alcalino anteriormente à extracção. Este facto deve-se

à presença de uma percentagem superior de enxofre (≈3.39%), pois quando as algas


são imersas em meio alcalino antes da extracção, o polissacarídeo possui menos grupos

sulfato (≈1.37%), apresentando por isso melhores propriedades de geli�cação. A goma

de alfarroba sendo um polímero neutro, possuía uma menor capacidade de retenção de

água [88].

De acordo com a Fig. 3.17a veri�ca-se que a SVA do agar puro é de ≈45%, ao

�m de 4h, enquanto que o AGM retém menos 6% de vapor de água. Este resultado

era esperado, pois o GMA torna o polímero mais hidrofóbico [47] e obtiveram-se re-

sultados semelhantes nos ensaios de imersão em água. As capacidades de SVA dos

�lmes sem/com reticulante lavados são muito semelhantes aos valores observados para

o AGM, como pode ser observado na �gura 3.17b. Por conseguinte, podemos inferir

que a maior parte do LI ou PIL incorporado na matriz deverá ter saído na lavagem e,

que a extensão da incorporação de LI na cadeia, deverá ser baixa. Este último facto

era esperado, pois a incorporação de LI na cadeia depende directamente da extensão

da primeira modi�cação, ou seja, do número de ligações vinílicas presentes no AGM.

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70 80

SVA

(%

)

tempo (h)

(a)

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

SVA

(%

)

tempo (h)

(b)

Figura 3.17: Grá�cos relativos aos ensaios de sorção de vapor de água das amostras de agar,

AGM e �lmes sem/com reticulante antes e após a lavagem até 10h ou até 80h. Os ensaios

foram realizados em duplicata.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50 60 70

Swel

ling

(%)

tempo (h)

Agar AGM s/ reticulante

s/ reticulante lavados c/ reticulante c/ reticulante lavados

No caso dos �lmes não lavados sem/com reticulante, a presença de LI na matriz


faz com que a SVA destes materiais seja duas vezes superior ao valor obtido para o

agar, devido ao carácter higroscóspico do LI [89]. Assim, podemos a�rmar que o LI

funciona como um aditivo que favorece a absorção de vapor de água, apresentando uma

acção plasti�cante através da diminuição das forças intramoleculares do polímero, o que

facilita a penetração da água na matriz [90, 91, 85, 84]. O facto de os �lmes permitirem

a entrada de água na sua matriz é muito importante, pois possibilita o transporte de

iões para dentro da mesma, in�uenciando assim a condutividade do material. No

entanto, não há uma diferença signi�cativa entre a SVA dos �lmes reticulados e não

reticulados. Todos os �lmes mantiveram a sua estrutura física até ao �nal da análise.

3.2.4 Caracterização térmica

Os métodos de análise térmica fornecem informação importante acerca das pro-

priedades físico-químicas dos polímeros, como por exemplo em termos de estabilidade

térmica, composição, mudanças de fase, etc. Os per�s térmicos dos materiais desen-

volvidos foram analisados com o objectivo de determinar o efeito das modi�cações

efectuadas e, no caso dos �lmes sujeitos a lavagem, retirar informação sobre a sua

composição �nal. No entanto, os materiais estudados não serão sujeitos a temperatu-

ras elevadas durante a sua aplicação. Neste trabalho, procedeu-se à análise dos per�s

termogravimétricos do agar (pó e �lme), LI puro, AGM (espuma e �lme) e dos �lmes

de AGM modi�cados com LI, com e sem reticulante, antes de depois da lavagem.

3.2.4.1 Análise Termogravimétrica

A partir dos per�s termogravimétricos foram determinadas a temperatura de onset

(To) e a temperatura de máxima perda de massa (Tp). A primeira resulta da intersecção

da linha de base da massa, após as perdas devido à desidratação do polímero, com a

tangente à curva durante a fase de degradação e corresponde à temperatura à qual a

degradação (perda de massa) do polímero tem início. A Tp indica-nos a temperatura à

qual é máxima a taxa da perda de massa, correspondendo ao valor máximo da primeira

derivada da curva de perda de massa (ponto de in�exão). Os valores correspondentes

a estas temperaturas e à perda de massa devida à evaporação de água para todas as

amostras estudadas são apresentados na tabela 3.6.

Os grá�cos resultantes da análise termogravimétrica (Fig. 3.18), mostram que a

decomposição dos materiais analisados ocorre numa única etapa, desprezando a perda

de massa inicial entre a temperatura ambiente e 150◦C, que se deve à evaporação da

água retida na estrutura do polissacarídeo. Obtiveram-se valores para perda de massa

inicial entre 7-11% para todas as amostras, à excepção o LI para o qual se obteve ≈


5% (Tabela 3.6). O mesmo comportamento foi observado em estudos anteriores para

o agar e para a pectina modi�cada com GMA, respectivamente [92, 50].

O agar puro na forma de �lme é o material que possui a maior Tp (301.3◦C),

possuindo uma estabilidade térmica bastante maior do que o agar em pó (265.3◦C),

possivelmente devido à compactação das cadeias (Fig. 3.18b). Isto con�rma-se pelo

facto de o AGM espuma também ser menos estável do que o �lme do mesmo mate-

rial (Fig. C.2 do Apêndice). O agar puro apresenta perdas de aproximadamente 60%

na região entre 250 e 400◦C, valores concordantes com os obtidos por Raphael et al.

no estudo do mesmo biopolímero [92]. Através da observação do grá�co (Fig. 3.18c),

conclui-se que o AGM é ligeiramente menos estável termicamente do que o biopolímero

puro, devido à inclusão do GMA na estrutura do polímero, o qual provoca um afas-

tamento das cadeias, diminuindo a estabilidade térmica do material. Estes resultados

são semelhantes aos obtidos por Maior et al. aquando da modi�cação da pectina com

GMA [50].

De acordo com os resultados apresentados na �gura 3.18, veri�ca-se que todos

os materiais apresentam uma perda de massa muito acentuada (75-80%) devido ao

processo de degradação. No entanto, os dados são consistentes com uma estabilidade

térmica mínima de 200◦C (valor mínimo de 214◦C para os �lmes sem reticulante).

Assim, a degradação inicia-se a aproximadamente 250◦C e até 400◦C observa-se uma

perda de massa muito acentuada, a qual continua lentamente, com o aumento da

temperatura, até 600◦C. No caso dos �lmes que possuem uma maior quantidade de LI

(�lmes não lavados), a To e a Tp apresentam valores mais baixos (214, 224◦C e 237,

242◦C, respectivamente) comparativamente aos restantes materiais, o que signi�ca que

o LI destabiliza a estrutura da matriz polimérica, pois a temperatura onset do LI

puro é superior a este intervalo de valores (252.8◦C). Este facto deve-se à diminuição

do número de pontes de hidrogénio e interacções electroestáticas provocada pelo LI,

diminuindo a reticulação intrínseca do polímero e perturbando a matriz polimérica

[93]. Este comportamento é semelhante ao encontrado para outros materiais, como

por exemplo num sistema celulose-LI ou em �lmes de quitosano com plasti�cantes

hidrofílicos [94, 93]. Os grá�cos dos �lmes com reticulante encontram-se disponíveis na

Fig. C.2 do Apêndice.

Comparando o termograma dos �lmes reticulados com os não reticulados (Fig. C.2c

do Apêndice), podemos veri�car que não se observa qualquer efeito do reticulante.

Comparando os �lmes sem reticulante com os mesmos após lavagem (Fig. 3.18e), ob-

servamos variações de |∆Tp| e |∆ To| de ≈ 50◦C, sendo que os �lmes lavados apresentam

valores superiores em ambos os casos. Resultados semelhantes foram obtidos para os

�lmes com reticulante (Fig. C.2e do Apêndice). Adicionalmente, o ombro que surge a

cerca de 275◦C no grá�co da derivada nos termogramas dos �lmes não lavados e que


corresponde à Tp do LI, não é detectavável.

Este facto sugere que praticamente todo o LI deverá ter sido removido no processo

de lavagem, facto corroborado pelas semelhanças entre o grá�co do AGM �lme e do

�lme sem reticulante lavado (Fig. 3.18f). Resultados semelhantes foram obtidos para

os �lmes reticulados (Fig. C.2 do Apêndice).

Tabela 3.6: Valores relativos à perda de massa inicial devido à presença de água, temperatura

onset (To) e temperatura de máxima perda de massa (Tp). Os valores relativos aos �lmes com

e sem reticulante não lavados são valores médios, pois este ensaio foi realizado em duplicata,

obtendo-se um desvio padrão máximo de 8.41 para os �lmes sem reticulante e de 2.76 para

os �lmes com reticulante.

% perda de massa inicial (H2O) To (◦C) Tp (◦C)

LI puro 4.70 252.79 280.43

Agar pó 8.97 252.73 265.32

Agar �lme 10.75 266.72 301.27

AGM �lme 9.29 257.21 289.07

AGM espuma 8.12 253.36 267.39

�lme sem reticulante 6.78 213.94 237.04

�lme sem reticulante lavado 9.22 269.10 287.81

�lme com reticulante 7.08 223.87 242.72

�lme com reticulante lavado 10.94 274.15 292.91


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

IL puroAgar pó

(a)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

Agar em póAgar filme

(b)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

AGM filmeAgar filme

(c)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

AGM filme

Filme sem reticulante

(d) d

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

Filme sem reticulantelavadoFilme sem reticulante

(e)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

AGM filme

Filme semreticulante lavado

(f)

Figura 3.18: Per�s de decomposição do LI puro, agar, AGM e �lmes sem reticulante, lavados

e não lavados.

3.2.4.2 DSC

A análise DSC pretende analisar alterações na estrutura polimérica dos �lmes de-

vido à presença do LI, bem como a in�uência da água retida na elasticidade dos mesmos.

Através da análise da �gura 3.19 (a), podemos concluir que o agar sofre uma reestrutu-


ração da cadeia polimérica a aproximadamente 15◦C (pico endotérmico). Além disso,

tanto os �lmes reticulados como os não reticulados, apresentam uma Tg de aproxima-

damente 25◦C, como tal a reticulação não induz diferenças signi�cativas nos mesmos.

Os resultados con�rmam que o LI é muito hidrofílico e higroscópico devido ao aumento

da energia necessária para evaporar a água que permanece retida nos �lmes até apro-

ximadamente 185◦C, o que signi�ca que esta tem uma forte interacção com o LI. Os

resultados são concordantes com os resultados de SVA e com a percepção obtida ao

dobrar os �lmes manualmente, onde se veri�cou uma maior �exibilidade dos �lmes

não lavados à temperatura ambiente. Relativamente aos �lmes lavados (Fig. 3.19 (b)),

podemos concluir que estes possuem menos LI, pois não existe água retida nos �lmes.

Assim, os resultados obtidos indicam que a presença de LI conduz a uma alteração da

capacidade de absorção de água e a diferentes forças de interacção polímero-água.

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200

Flu

xo d

e c

alo

r (m

W)

Temperatura (ᵒC)


Filme com reticulante

Agar filme

(a)

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200

Flu

xo d

e c

alo

r (m

W)

Temperatura (ᵒC)

Filme sem reticulante lavado

Filme com reticulante lavado

Agar filme

(b)

Figura 3.19: Curvas DSC do agar puro, �lmes com/sem reticulante e �lmes com/sem reticu-

lante lavados. Eventos endotérmicos para baixo.


3.2.5 SEM/EDX

Figura 3.20: Imagem SEM do corte transversal de um �lme de agar puro, com uma ampliação

de 800x.

(a) Filme sem reticulante. (b) Filme sem reticulante, após lavagem.

(c) Filme com reticulante. (d) Filme com reticulante, após lavagem.

Figura 3.21: Imagens SEM do corte transversal dos �lmes não reticulados e reticulados, antes

e depois da lavagem. Todas as imagens possuem uma ampliação de 800x. No canto superior

direito encontram-se os espectros da composição química no corte.


O biopolímero puro e os �lmes com e sem reticulante (lavados e não lavados) foram

analisados recorrendo à SEM−EDX com o objectivo de estudar a composição química e

possíveis alterações da estrutura dos mesmos (Fig. 3.20 e 3.21). A informação relativa à

composição química dos �lmes permite aferir se estes contêm LI após a lavagem, ligado

covalentemente à matriz ou retido na mesma. Esta presença é fortemente dependente

da extensão da reacção de funcionalização com o GMA e da reticulação da matriz. Por

outro lado, a estrutura do material também pode variar consoante a presença ou não

de reticulante e a quantidade LI que é removido na lavagem, pois estes últimos podem

funcionar como agentes porogénicos [38].

Não se observaram diferenças signi�cativas entre as superfícies dos �lmes analisa-

dos (imagens não apresentadas), possuindo todos os �lmes uma superfície uniforme e

homogénea, sem separações de fase. Resultados semelhantes foram obtidos em estudos

anteriores utilizando LIs, em sistemas à base de agar e gelatina [95, 96].

Relativamente à in�uência do reticulante, a análise das �guras 3.21a e 3.21c não

permite observar efeitos claros deste nos �lmes dado que não se veri�ca um aumento

evidente da rugosidade ou densidade dos mesmos. As diferenças observáveis podem

dever-se à heterogeneidade do revestimento de ouro ou a diferenças nas condições de

corte, pois devido às baixas Tg, os �lmes não foram partidos mas sim rasgados.

Tabela 3.7: Percentagem de composição de massa dos �lmes.

Percentagem de massa ± σ

C O N Cl

Agar 56.5 ± 3.4 43.5 ± 3.4 - -

s/ reticulante 65.1 ± 1 22.2 ± 0.7 7.9 ± 1.1 4.9 ± 0.6

s/ reticulante lavado 71.3 ± 0.7 28.7 ± 0.7 - -

c/reticulante 64.6 ± 1 22.5 ± 0.6 6.9 ± 1 6.0 ± 0.6

c/reticulante lavado 67.2 ± 0.5 32.8 ± 0.5 - -

Na tabela 3.7 encontram-se os resultados da composição química dos �lmes na

região do corte. Como podemos concluir através da análise da tabela, no caso dos

�lmes não lavados, o LI está presente na região de corte, o que signi�ca que este se

encontra incorporado na matriz e não apenas à superfície. Contudo, não é possível

veri�car a presença do LI nos �lmes lavados. No futuro seria interessante veri�car a

composição dos �lmes recorrendo à Fluorescência de Raios-X (XRF), técnica muito

utilizada para análise elementar e química de materiais.


3.2.6 Sorção de ASA

Os sistemas de sorção são constituídos por três fases: os solutos ou sorbatos, a fase

sorbente e a fase primária onde o processo ocorre (solvente). Neste fenómeno, podem

ser distinguidas duas categorias: a adsorção e a absorção. A diferença entre estas

reside no grau de interacção do soluto com o sorbente. Na adsorção, a acumulação do

soluto é restrita à superfície ou interface entre a solução e o adsorvente. Na absorção, o

soluto é transferido de uma fase para a outra, penetrando no sorbente. A sorção resulta

acção de diferentes tipos de forças atractivas entre as moléculas do soluto, o sorbente

e o solvente. Estas podem ser forças físicas (ex. dipolo-dipolo ou forças de dispersão

de London), químicas (covalentes ou ligações de hidrogénio) ou electroestáticas (ião-

ião ou ião-dipolo) e, apesar de normalmente actuarem em conjunto, existe uma que é

predominante [97].

Figura 3.22: Estrutura química do ASA e respectiva constante de dissociação (Ka).

Neste trabalho, utilizou-se o ASA como fármaco modelo para testar a capacidade

de sorção dos �lmes de AGM modi�cados com LI, pois além deste ser um dos fármacos

anti-in�amatórios não-esteróides mais utilizados, encontra-se carregado negativamente

a pH neutro, enquanto o nosso material deverá ter carga positiva devido à presença do

LI. No entanto, a permeabilidade dos �lmes não depende apenas da natureza ácida ou

básica dos �lmes e do pH do meio, mas também do seu grau de reticulação, do peso

molecular do fármaco e da espessura do �lme [98, 99].

Teoricamente seria de esperar uma capacidade crescente de sorção de ASA com

o aumento da densidade de cargas positivas dentro da matriz. Assim, os �lmes não

lavados teriam a maior capacidade de sorção, seguidos dos �lmes lavados e, por �m,

o agar. No entanto, esta ordem não se veri�cou pois nenhum dos �lmes absorveu

fármaco. Existe a possibilidade da força de interacção entre o catião imidazólio e o ião

cloro ser muito intensa e, devido a essa estabilidade, a troca iónica não ser favorecida.

No entanto, este teste terá de ser optimizado pois existe também a possibilidade de

ter sido utilizada uma massa de polímero muito reduzida. Nesse caso, mesmo que o

polímero tenha retido algum fármaco, a sensibilidade da técnica espectrofotométrica

pode não ser su�ciente para detectar uma diminuição tão pequena da absorvância do


meio de imersão. Como tal, é necessário de�nir uma concentração ideal de ASA e uma

massa de polímero adequada e, posteriormente, repetir esta análise.

Capítulo 4

Conclusão

O principal objectivo deste trabalho foi o desenvolvimento e caracterização de polí-

meros electroactivos de base natural, modi�cados com LIs para a libertação transdér-

mica de fármacos por aplicação de um estímulo eléctrico. Primeiramente, procedeu-se

à alteração da estrutura química do agar através do enxerto do GMA, com o intuito

de introduzir grupos vinílicos na cadeia polimérica do agar. De seguida, pretendia-se

que esses grupos reagissem por polimerização radicalar com os grupos vinílicos do LI.

Dado que o LI contém um grupo vinílico polimerizável ligado covalentemente ao catião,

é possível que ocorra a polimerização destes monómeros, originando PILs. Porém, é

importante notar que o objectivo deste trabalho não é a formação de PIL, mas sim a

reacção do LI com os grupos vinílicos do AGM. De qualquer forma, o material �nal

é um ionogel com carga positiva. Esse material foi caracterizado em termos quími-

cos, termomecânicos e morfológicos e, por �m, foram efectuados testes preliminares de

sorção com um fármaco aniónico, o ASA.

Várias conclusões foram retiradas dos resultados obtidos, sendo as principais apre-

sentadas de seguida:

-Os espectros IR, Raman e 1H-RMN do agar permitiram concluir que o polímero

possui grupos sulfato (−OSO−3 ), como referido pelo fornecedor. A capacidade de ge-

li�cação do biopolímero, bem como a capacidade de absorção de água, dependem do

balanço entre as pontes de hidrogénio e as repulsões electroestáticas entre os grupos

substituintes da cadeia polimérica. No caso da funcionalização do agar com o GMA

em meio aquoso, concluímos através da análise dos espectros 1H-RMN que a razão

vinil/hidroxilo igual a 1/4 não favorece o enxerto do GMA e que, no caso das amostras

com uma razão vinil/hidroxilo igual a 1, devido à semelhança entre os valores dos inte-

grais das amostras de 14h e 24h, não se justi�ca uma reacção de 24h nessas condições

experimentais. No entanto, em todas as condições de síntese testadas, o GMA reagiu

por abertura do anel epóxido, pois em nenhum dos espectros 1H-RMN foi possível de-

67

68 CAPÍTULO 4. CONCLUSÃO

tectar os sinais correspondentes ao GDOL . Apenas nos baseámos nos resultados do1H-RMN pois a modi�cação obtida parece ser inferior ao limite de detecção do FTIR.

-No caso da funcionalização do agar com o GMA em DMSO, concluímos que a

substituição obtida nas condições experimentais estudadas (razão vinil/hidroxilo igual

a 1 e tempo de reacção de 24h) é aproximadamente 8 vezes superior ao valor dos sinais

correspondentes à modi�cação realizada em água com uma relação vinil/hidroxilo igual

a 1.

-A espectroscopia Raman não permitiu encontrar qualquer diferença entre os es-

pectros do agar e do AGM. No entanto, nos testes de intumescimento a capacidade

de absorção do agar é mais de 3 vezes superior ao AGM, enquanto que em termos

de sorção de vapor de água a diferença é de 6%. Outros autores veri�caram que os

polímeros puros são mais hidrofílicos do que os modi�cados com GMA [80]. Além

disso, veri�cou-se que o agar possui uma Tp mais elevada que o AGM, facto devido

possivelmente à maior compactação das cadeias, dado que o agar e o AGM em �lme

também são mais estáveis termicamente que o agar pó e AGM poroso, respectivamente.

Como tal, o AGM é menos estável termicamente que o agar devido à inclusão do GMA.

Assim, estes resultados con�rmam que o agar foi modi�cado quimicamente. Contudo,

possivelmente a modi�cação química obtida é baixa e inferior ao limite de detecção da

espectroscopia Raman.

-Relativamente aos �lmes não lavados, as bandas correspondentes ao LI são ob-

serváveis tanto nos espectros Raman como nos espectros IR. Assim, esperava-se um

aumento do grau de intumescimento devido à presença do LI/PIL (maior número de

cargas e portanto maior força iónica na estrutura do polímero), no entanto estes foram

os �lmes que apresentaram menor capacidade de absorção de água. Este facto poderá

dever-se à libertação do LI/PIL para o meio de imersão, a qual foi veri�cada através

da medição dos espectros UV-Vis do meio. Quando o LI/PIL começa a sair, a matriz

torna-se mais frágil (menor compactação das cadeias), facto que conduziu a perdas de

massa de aproximadamente 50%. No sentido de impedir a lixiviação do LI e impedir

perdas de massa devido à dissolução matriz, foram efectuados testes de SVA. Estes

�lmes apresentaram uma SVA duas vezes superior ao valor obtido para o agar. Assim,

o LI funciona como um aditivo que favorece a absorção de vapor de água, apresentando

uma acção plasti�cante através da diminuição das forças intramoleculares do polímero,

o que facilita a penetração da água na matriz. Esta entrada de água permite o trans-

porte de iões para dentro da mesma, in�uenciando a condutividade do material, a qual

é muito importante na aplicação que se pretende desenvolver. Uma evidência desta

diminuição das interacções electroestáticas é o facto de estes serem os materiais que

possuem valores mais baixos de To e Tp.Dado que a temperatura onset do LI puro é

superior à destes �lmes, podemos a�rmar que este diminui a reticulação intrínseca do

69

polímero, alterando a estrutura da matriz polimérica. Por conseguinte, o LI diminui a

estabilidade térmica do material. Por �m, através de SEM-EDX foi possível veri�car

que o LI encontra-se incorporado na matriz e não apenas à superfície.

-No que diz respeito à in�uência do reticulante nos �lmes, não se veri�caram quais-

quer diferenças nos espectros de IR e Raman, nos termogramas, nos valores de sorção

de vapor de água ou nas imagens SEM (sem aumento da densidade dos �lmes ou da

rugosidade). No entanto, nos ensaios de intumescimento veri�cou-se que os �lmes sem

reticulante eram menos estáveis, apresentando perdas de massa quatro vezes superiores

aos �lmes reticulados, ao �m de 72h.

-Relativamente aos �lmes lavados, a espectroscopia Raman permitiu detectar sinais

da presença do LI/PIL. No entanto, na espectroscopia IR os sinais do LI não são ob-

serváveis, o que indica uma modi�cação química do AGM/retenção de LI/PIL inferior

ao limite de detecção do FTIR-ATR. Os resultados dos testes de intumescimento para

estes �lmes contrariam o esperado, na medida em que estes �lmes possuem uma capa-

cidade de intumescimento menor que o agar e o AGM. Como tal, estes testes terão de

ser repetidos no futuro. Os resultados da SVA indicam que estes materiais devem ser

muito semelhantes ao AGM. Os termogramas obtidos estão de acordo com os resulta-

dos da SVA, pois comparando os �lmes lavados com os �lmes não lavados, obtêm-se

variações de |∆Tp| e |∆To| de aproximadamente 50◦C. Adicionalmente, o ombro que

surge a cerca de 275◦C no grá�co da derivada nos termogramas dos �lmes não lavados

e que corresponde à Tp do LI, não é detectável no caso dos �lmes lavados. Através

de SEM-EDX também não é possível detectar a presença do LI nos �lmes lavados, no

entanto estes são menos densos do que os �lmes que lhes deram origem. Assim o LI

parece ter um efeito signi�cativo na morfologia dos �lmes.

Em suma, podemos concluir que a maior parte do LI ou PIL incorporado na matriz

deverá ter saído na lavagem e, que a extensão da incorporação de LI na cadeia, deverá

ser baixa. Contudo, este último facto era esperado, pois a incorporação de LI na

cadeia depende directamente da extensão da primeira modi�cação, ou seja, do número

de ligações vinílicas presentes no AGM, a qual também deverá ter sido baixa nas

condições experimentais testadas.

Capítulo 5

Perspectivas Futuras

Ao longo da investigação surgiram problemas que não puderam ser resolvidos em

tempo útil e novas ideias para optimizar os processos que não foram testadas. Toda

essa informação, bem como objectivos que �caram por cumprir serão apresentados de

seguida:

- Determinação do peso molecular do agar e determinação da percentagem de grupos

sulfato. Tentou determinar-se o peso molecular do agar recorrendo à SEC. No entanto,

não foi possível realizar a medição, pois nesse equipamento só era possível utilizar como

solvente a água e, nesse caso, as temperaturas necessárias para dissolver o polímero

eram incompatíveis com a realização da análise. Como tal, seria necessário mais tempo

para optimizar as condições necessárias para a realização da técnica.

- Optimização do enxerto do agar com o GMA. Como anteriormente referido, esta

primeira etapa da reacção condiciona o enxerto de LI na cadeia polimérica do agar

modi�cado, ou seja, o sucesso da modi�cação que se pretende realizar. Com vista ao

aumento da extensão da reacção, no futuro deve fazer-se uma síntese de AGM nas

condições experimentais optimizadas deste trabalho (razão vinil/hidroxilo igual a 1 e

14h de reacção) mas sem proceder à remoção do inibidor de polimerização do GMA. A

MEHQ está presente na solução de GMA para estabilizar a sua ligação vinílica ou seja,

impedir a sua homopolimerização. Neste trabalho, procedemos à remoção deste com-

posto através da passagem do GMA por uma coluna de sílica e alumina. No entanto,

possivelmente esta limpeza não é necessária, pois além de pretendermos que o GMA

reaja por abertura do anel epóxido e não através da ligação vinílica, a estabilização da

mesma faz com que mais moléculas ainda se encontrem livres para reagir com o agar.

Por outro lado, dado que os resultados da síntese em DMSO foram melhores, poderiam

ser efectuadas sínteses em sistemas com diferentes proporções de água e DMSO. O facto

de poder ocorrer transesteri�cação em DMSO não in�uencia o sucesso da reacção, pois

os grupos vinílicos são sempre incorporados na matriz polimérica.

71

72 CAPÍTULO 5. PERSPECTIVAS FUTURAS

- No que diz respeito à segunda etapa da reacção, tanto a percentagem molar de LI

como a percentagem de reticulante a utilizar devem ser optimizadas. Como foi possível

concluir, a quantidade de LI presente nos �lmes dita a capacidade de absorção de água

dos mesmos e, por conseguinte, é um factor determinante na condutividade do material.

Assim, a quantidade de reticulante também tem um papel muito importante pois, além

de melhorar as propriedades mecânicas do material, a reticulação da matriz aumenta

a capacidade de retenção de LI/PIL. Além disso, possivelmente esta será um factor

determinante nos per�s de libertação de fármaco, aquando da aplicação do estímulo

eléctrico.

- Realização de testes de impedância para testar a capacidade de difusão de carga

dos �lmes, bem como a in�uência do LI nas propriedades resistivas dos mesmos.

- Realização de testes de biocompatibilidade/performance biológica do material,

os quais se justi�cam devido à presença de LI nos �lmes. Os LIs, dependendo da

constituição (catião, anião ou cadeia alquílica) e concentração, poderão apresentar

uma maior ou menor toxicidade.

- Quanti�cação dos per�s cinéticos de sorção/desorção de um fármaco iónico modelo

(ex. ASA) em meio aquoso.

- Optimização de um sistema experimental de medição dos per�s de libertação de

fármaco sob a in�uência de um estímulo eléctrico externo. Uma possibilidade seria a

utilização de um dispositivo de iontoforese capaz de fornecer uma corrente de 0.5mA

e uma célula de Franz. O ânodo e o cátodo estariam em contacto com os hidrogéis no

compartimento dador da célula de difusão de Franz, uma corrente eléctrica de 0.5mA

seria aplicada e, posteriormente, seriam retiradas amostras do compartimento receptor

e quanti�cadas através de Cromatogra�a Líquida de Alta E�ciência (HPLC) Primei-

ramente poderia ser utilizada uma membrana sintética que simulasse a porosidade e

carga da pele e, posteriormente, seria interessante avaliar a penetração do fármaco uti-

lizando pele de animais. Os procedimentos referidos já se encontram estabelecidos na

literatura.

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84 APÊNDICE A.

Apêndice A

1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0f1 (ppm)

1.00

000

0.00

083

0.00

027

0.01

494

1.90

985

3.43

817

5.22

904

5.73

017

6.04

612


1.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.05.25.45.65.86.06.26.46.66.8f1 (ppm)

1.00

00

0.01

051.

90

3.43


Figura A.1: Espectros 1H-RMN do agar modi�cado com uma razão molecular de vi-

nil/hidroxilo igual a 1/4.

85

1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0f1 (ppm)

1.00

00

0.02

72

0.00

83

0.00

91

1.91

3.44

5.29

5.69

6.08


1.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.05.25.45.65.86.06.26.46.66.8f1 (ppm)

1.00

00

0.02

28

0.00

74

0.00

81

1.91

3.44

5.29

5.69

6.08


Figura A.2: Espectros 1H-RMN do agar modi�cado com uma razão molecular de vi-

nil/hidroxilo igual a 1.

86 APÊNDICE A.

1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0f1 (ppm)

150526-011H

1.00

00

0.19

51

0.07

86

0.05

28

1.91

36

3.44

21

5.68

82

6.05

85

Figura A.3: Espectro 1H-RMN do agar modi�cado durante 24h e com uma razão molar

vinil/hidroxilo igual a 1, em DMSO.

(c)

(b)

(a)

(d)

60070080090010001100120013001400150016001700180019002000


Figura A.4: Espectros IR do LI (a), �lme com reticulante (b), �lme com reticulante lavado

(c) e AGM (d).

87

0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220f1 (ppm)

Figura A.5: Espectro 13C-RMN do AGM.

Apêndice B

Figura B.1: Espectro Raman do LI puro (a), �lme com reticulante

(b), �lme com reticulante lavado (c) e AGM (d).

Figura B.2: Espectro Raman do �lme com reticulante lavado,

onde se pode observar um pequeno pico a 1655 cm−1 e uma bossa

a 1559 cm−1 (caixa cinzenta) correspondentes às vibrações νCC

e νCN, dCH e dCNC, respectivamente, do líquido iónico.

89

Apêndice C

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5

[ [B

vim

]Cl ]

(m

g/m

L)

Abs

Figura C.1: Recta de calibração do [Bvim]Cl em água, valores de absorvância relativos ao seu

pico máximo de absorção (222nm). declive= 1.998×10−2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

Ab

s

[ASA] (mg/mL)

Figura C.3: Recta de calibração do ASA em água. declive= 18.91

91

92 APÊNDICE C.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600D

eriv

. Mas

sa (

%/ᵒ

C)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

AGM filme

AGM espuma

(a)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

AGM filme


(b)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)



(c)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

Filme com reticulantelavadoFilme com reticulante

(d)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

AGM filme

Filme comreticulante lavado

(e)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Der

iv. M

assa

(%

/ᵒC

)

Per

da

de

mas

sa (

%)

Temperatura (ᵒC)

Filme comreticulante lavado

Filme semreticulante lavado

(f)

Figura C.2: Per�s de decomposição do agar, AGM e �lmes com e sem reticulante, lavados e

não lavados.

desenvolvimento e caracterização de biopolielectrólitos

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