ISSN 2175-8395

Empresa Brasileira de Pesquisa AgropecuáriaEmbrapa Instrumentação Agropecuária

Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento

Rede de Nanotecnologia Aplicada ao AgronegócioAnais do V Workshop 2009

Odílio Benedito Garrido de AssisWilson Tadeu Lopes da Silva

Luiz Henrique Capparelli MattosoEditores

Embrapa Instrumentação AgropecuáriaSão Carlos, SP

2009

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Presidente: Dr. Luiz Henrique Capparelli MattosoMembros: Dra. Débora Marcondes Bastos Pereira Milori,Dr. João de Mendonça Naime,Dr. Washington Luiz de Barros MeloValéria de Fátima CardosoMembro Suplente: Dr. Paulo Sérgio de Paula Hemnann Junior

Supervisor editorial: Dr. Victor Bertucci NetoNormalização bibliográfica' Valéria de Fátima CardosoCapa: Manoe1a Campos e Valentim MonzaneImagem da Capa: Imagem de AFM de nanofibra de celulose - Rubens Bernardes FilhoEditoração eletrônica: Manoela Campos e Valentim Monzane

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Anais do V Workshop da rede de nanotecnologia aplicada aoagronegócio 2009 - São Carlos: Embrapa InstrumentaçàoAgropeeuaria, 2009.

IrregularISSN: 2175-8395

1. Nanotecnologia - Evento.!. Assis, Odílio Benedito Garrido de.n. Silva, Wilson Tadeu Lopes da. Ill. Mattoso, Luiz HenriqueCapparelli. IV. Embrapa Instrumentação Agropecuaria

© Embrapa 2009

Rede de Nanotecnologia Aplicada ao Agronegócio - Anais do V Workshop

DETERMINAÇÃO CONDUTIVIMÉTRICA DE NUTRIENTE LIBERADOA PARTIR DE HIDROGÉIS

Adriel Bortolín'", Fauze Ahmad Anuada'r', Luiz Henrique Capparelli Mattoso"

'Depto. de Química - UFSCar, 13560-905, São Carlos/SP2Laboratório Nacional de Nanotecnologia para o Agronegócio, Embrapa Instrumentação Agropecuária,

13560-970, São Carlos/SP. *mattoso@cnpdia.embrapa.br

Projeto Componente: PC4 Plano de Ação: 01.05.1.01.04.04

Resumo

Hidrogéis biodegradáveis de poliacrilamida e metilcelulose foram sintetizados por meio depolimerização química do monômero acrilamida, em solução aquosa contendo MC e do agente dereticulação N' -N-metilenobisacrilamida. Estudos de adsorção e liberação controlada do nutrientefosfato de potássio (KH2P04) foram realizados por meio de medidas de condutividade, pelas quaisfoi possível determinar as quantidades de nutrientes adsorvida e liberada pelo hidrogel e observar oefeito das concentrações deAAm e MC nesses dois eventos.

Palavras-chave: Hidrogel, biodegradável, acrilamida, metilcelulose, liberação controlada,nutrientes.

Introdução

Sistemas de liberação controlada/prolongadaforam primeiramente estudados e aplicados paraavaliar a liberação controlada de fármacos com oobjetivo de manter sempre uma dosagem ideal noorganismo, diminuindo os custos e reduzindo osefeitos colaterais causados por várias doses(REDDY et al., 1999). Tal conceito, também podeser aplicado à agricultura como a liberaçãocontrolada de nutrientes por meio de veículosbiodegradáveis capazes de armazenar grandequantidade de nutriente, liberando-o gradativamentepara o solo. Objetiva-se assim manter suaconcentração ótima por mais tempo, evitando gastosdesnecessários e também graves problemasambientais causados pelo uso excessivo defertilizantes nas plantações.

Este trabalho tem como objetivo avaliar acapacidade de adsorção e liberação do nutrientefosfato de potássio (KH2P04) em meio aquoso porhidrogéis constituídos por acrilamida (AAm) e opolissacarídeo biodegradável metilcelulose (MC).

Materiais e métodos

Os hidrogéis constituídos de poliacrilamida(PAAm) e do polissacarídeo biodegradávelmetilcelulose (MC) foram obtidos por meio depolimerização química do monômero acrilamida,em solução aquosa contendo MC, agente dereticulação N' -N -metilenobisacrilamida ecatalisador N,N,N',N'-tetrametil-etilenobisacrilamida. Depois de preparar a mistura,borbulhou-se N2 na solução por 20 minutos paraeliminação de oxigênio. A reação de polimerizaçãovia radical livre foi iniciada pela adição de persulfatode sódio (Na2SPs) (BODUGOZ-SENTURK et al.,2009; SINGH e CHAUHAN, 2009).

O estudo de adsorção do fertilizante KH2P04foi realizado através da inserção de um hidrogelpreviamente seco em uma dada solução defertilizante com concentração inicial conhecida (Co)'Após um determinado período, a quantidade defertilizante no hidrogel foi quantificada peladiferença entre a concentração inicial da solução de

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KH2P04 e a concentração na solução após um tempo"t". As concentrações do fertilizante nas soluçõesforam determinadas utilizando um condutivímetro,baseando-se em uma curva de calibração,previamente construí da e apresentada pela Figura 1.A cinética de adsorção foi monitorada até o estado deequilíbrio, ou seja, a partir desse estado não ocorremais incorporação do fertilizante pelo gel.

0,001th------------------,

- Fosfato de potássiQ

§~ 0,0012Q)"Oro"O·5'5"O 0,000

80,000

o 500 1000 1500 2000Concentração de fosfato de potássio (ppm)

Fig. 1. Curva de calibração para o fertilizanteKH2P04•

A quantidade de fertilizante adsorvida foideterminada através da Equação abaixo:

qt = [(Co - Ct)]xVm

onde qt é a quantidade de fertilizante adsorvida peloshidrogéis por gramadehidrogel seco (mg g.I), Coe Ct(mg L-I) são as concentrações de fertilizante nasolução inicial e após um determinado tempo "t,respectivamente, V é o volume da fase aquosa e m é amassa de bidrogel seco.

Após o estudo de adsorção, foi realizado oestudo de liberação do nutriente em solução aquosa.Para isso, o hidrogel foi retirado da solução defertilizante após atingir o equilíbrio e adicionado aum recipiente contendo um volume conhecido deágua destilada e deionizada. Em determinadostempos "t"mediu-se a condutividade da solução, quefoi convertido em termos de concentração por meioda curva de calibração apresentada anteriormente.

Os resultados de liberação foramquantificados em termos de percentagem deliberação em função do tempo, baseando-se naEquação:

Quantidade liberada (%) = (M/M<Xl)x 100

onde M, é a quantidade de nutriente liberada pelohidrogel no tempo t e M<Xlé a quantidade total denutriente carregada no hidrogel.

As medidas de adsorção e de liberação foramrealizadas em triplicata para reduzir os erros.

Resultados e discussão

A Tabela 1 mostra os resultados de adsorçãoapós 90 horas que o hidrogel ficou imerso emsolução de KH2P04 com concentração (Co)aproximada de 1974 ppm. Os resultados mostramque o aumento da concentração de MC no hidrogel,provoca uma maior adsorção de nutriente. Por outrolado, se aumentar a concentração de AAm na soluçãoinicial do hidrogel, implicará em uma menoradsorção. °hidrogel que mais adsorveu o nutrientefoi o 6,0% AAm e 1,0% MC (238,5 ± 6,4 ppm) e oque menos adsorveu foi o 12,0% AAm e 1,0% MC(l77,O± 12,7ppm).

Tabela 1.Valores de adsorção em ppm para cada tipode hidrogel indicado.

Hidrogel qeQ (ppm) erro6,0% AAm e 1,0% MC 238,5 6,49,0% AAm e 0% MC 196,5 7,89,0% AAm e 0,5% MC 207,5 12,09,0% AAm e 1,0% MC 229.0 4,212,0% AAm e 1,0% MC 177,0 12,7

Os resultados de liberação foram obtidos pormeio de curvas de % de nutriente liberado vs t. AFigura 2 mostra a adsorção de nutriente em função daconcentração de MC, mantendo-se a concentraçãodeAAm fixa em 9,0 %. AFigura 3 mostra a adsorçãode nutriente em relação à concentração de AAm,mantendo-se a concentração de MC fixa em 1,0 %.Pode-se observar analisando as figuras que tanto aconcentração de AAm e a concentração de MCinfluenciam no processo de liberação controlada donutriente. Os hidrogéis que tiveram uma menoradsorção do nutriente apresentaram uma maior taxade liberação: cerca de 99% ou 194,5 ppm para ohidrogel 9,0 % AAm; 87% ou 154,0 ppm para ohidrogel 12,0% AAm e 1,0% MC. Já os hidrogéisque apresentaram maior afinidade com o nutrientenão o liberaram completamente, cerca de 44% ou103,6 ppm para o hidrogel 6,0% AAm e 1,0% MC e51% ou II6,8ppmparaohidrogeI9,0%AAm e 1,0%MC.

Os testes de liberação do nutriente mostramexatamente comportamento antagônico aos testes deadsorção, ou seja, quanto maior a adsorção dohidrogel, menor é sua liberação. Quando se aumentaa concentração de MC o hidrogel diminuisignificativamente sua capacidade de liberar onutriente, e isto pode estar relacionado à presença degrupamentos OR provenientes da MC, taisgrupamentos interagem com os íons positivos K+donutriente dificultando sua saída do hidrogel para asolução. °hidrogel constituído somente por PAAmapresentou uma maior taxa de liberação devido a

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pouca interação entre os grupamentos amida com oscátions do nutriente, isto explica o fato dos hidrogéisque adsorvem mais nutrientes liberam de maneiramenos eficaz.

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O 20 40Tempo (h)

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Fig. 2. Cinética de liberação para hidrogéis comdiferentes concentrações de MC.

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Tempo (h)

Fig. 3. Cinética de liberação para hidrogéis comdiferentes concentrações de Aam.

Conclusões

Por medidas de condutividade foi possívelquantificar a adsorção e liberação do nutriente apartir dos hidrogéis em meio aquoso.

A presença do polissacarídeo biodegradávelmetilcelulose no hidrogel garantiu uma maioradsorção do fertilizante, devido a forte interaçãoentre as hidroxilas e cátions do nutriente, sendoassim o processo de liberação dificultado. Hidrogéiscompostos apenas por poliacrilamida, emboratenham apresentado uma menor adsorção, foram osque liberaram maior quantidade de fertilizante,

aproximadamente, que se atribui a fraca interaçãoentre os cátions do nutriente e os grupamentosamida.

Os resultados mostraram-se bastantepromissores, pois os hidrogéis podem ser tantousados como veículos carregadores para liberaçãocontrolada de insumos ou como materiais capazes deremover parte de insumos ou pesticidas indesejáveis.

Agradecimentos

CNPQ, FIPAI, EMBRAPA, FINEPIMCT.

Referências

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BODUGOZ-SENTURK, H.; MACIAS, C. E.;KUNG, 1. H.; MURATOGLU, O. K. Biomaterials,Surrey, v. 30, n. 4, p. 589-596, 2009.REDDY, S. M.; SINHA, V. R.; REDDY, D. S. DrugToday, [S.l.], v. 35,n. 7,p. 537-580,1999.SINGH, B.; CHAUHAN, N. Food Hydrocolloid,[S.l.], v. 23, n. 3, p. 928-935, 2009.

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