( PDF ) Estudo de propriedades físico-químicas de alginato de sódio, pectina e blendas em solução e no estado sólido com aplicação em sistema de liberação de fármacos

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Aline Margarete Furuyama Lima

ESTUDO DE PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE ALGINATO DE

SÓDIO, PECTINA E BLENDAS EM SOLUÇÃO E NO ESTADO SÓLIDO

COM APLICAÇÃO EM SISTEMA DE LIBERAÇÃO DE FÁRMACOS.

FLORIANÓPOLIS

2006

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

ESTUDO DE PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE ALGINATO DE

SÓDIO, PECTINA E BLENDAS EM SOLUÇÃO E NO ESTADO SÓLIDO

COM APLICAÇÃO EM SISTEMA DE LIBERAÇÃO DE FÁRMACOS.

Tese submetida ao Programa de Pós-graduação em

Química da Universidade Federal de Santa Catarina

como parte dos requisitos para obtenção do título de

Doutora em Química

Aline Margarete Furuyama Lima

Florianópolis

2006

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Aline Margarete Furuyama Lima

ESTUDO DE PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE ALGINATO DE

SÓDIO, PECTINA E BLENDAS EM SOLUÇÃO E NO ESTADO SÓLIDO

COM APLICAÇÃO EM SISTEMA DE LIBERAÇÃO DE FÁRMACOS.

Esta tese foi julgada e aprovada para obtenção do título de Doutora em Química no

Programa de Pós-graduação em Química da Universidade Federal de Santa Catarina.

Florianópolis, 18 de agosto de 2006.

____________________________

Prof. Dr. Ademir Neves

Coordenador do Curso de Pós-graduação em Química

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Valdir Soldi

(Orientador da Tese)

Prof. Dr. Dimitrios Samios

(Relator da Tese DFQ-IQ-UFRGS)

Prof. Dr. Alfredo Tibúrcio Nunes Pires

(QMC-UFSC)

Prof. Dr. Marcos Antônio Villetti

(IF-CCNE- UFSM)

Prof. Dr. Gean Vitor Salmoria

(EMC-UFSC)

Prof. Dr. Hérnan Francisco Terenzi

(BQM-UFSC)

iii

Dedico essa Tese ao meu esposo Marcelo de Freitas Lima, aos meus pais Jorge e Sueli

Furuyama e aos meus irmãos Meliza, Yuri e Ben-Hur.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por estar em minha vida e me abençoar com tantas

maravilhas.

Ao meu tão amado esposo Marcelo de Freitas Lima pelo amor,

dedicação, paciência e me fazer feliz a cada instante da minha vida.

Aos meus amados pais Jorge e Sueli Furuyama por toda a dedição,

amor, educação e por me ensinar a nunca desistir dos sonhos.

Aos meus amados irmãos Meliza, Yuri e Ben-Hur pelo apoio, amizade

e incentivo.

Ao professor Valdir Soldi pela amizade, compreensão e incentivo

para a realização dessa Tese. Aos professores Redouane Borsali, Jean-François

Le Meins, Eric Papon e Juan Rodriguez-Hernandez por todo o incentivo

acadêmico e técnico.

À Marly por toda auxílio e dedicação profissional e pessoal durante a

realização desse estudo.

Aos professores Eduardo, Maria da Graça, Alfredo, Hérnan, Marcos,

Dimitrios, Gean, Miguel, pela contribuição acadêmica, direta ou indiretamente.

Às minhas amigas que não preciso citar seus nomes e que sabem que

sempre estaram no meu coração.

A todos os professores, funcionários e colegas do Departamento de

Química, em especial a Maria da Graça Pereira Hoeller e Jadir Carminatti.

À CAPES pela bolsa concedida.

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ..................................................................................................iv

SUMÁRIO.....................................................................................................................vi

LISTA DE ABREVIATURAS....................................................................................xvi

RESUMO......................................................................................................................xx

ABSTRACT.................................................................................................................xxi

CAPÍTULO 1..................................................................................................................1

1. Introdução................................................................................................................1

1.1. Justificativa.......................................................................................................3

1.2. Polissacarídeos .................................................................................................5

1.3. Alginato de sódio.............................................................................................. 5

1.3.1. Origem.......................................................................................................5

1.3.2. Fonte ..........................................................................................................7

1.3.3. Método de isolamento e estrutura do alginato de sódio ............................8

1.3.4. Propriedades e aplicações do alginato de sódio......................................... 9

1.4. Pectina de frutas cítricas.................................................................................12

1.4.1. Fonte ........................................................................................................12

1.4.2. Método de isolamento, estrutura e obtenção de pectina de baixo grau de

esterificação .......................................................................................................13

1.4.3. Propriedades e aplicação em geral de pectina. ........................................15

1.5. Blendas poliméricas........................................................................................20

1.6. Viscosimetria..................................................................................................22

Propriedades reológicas.........................................................................................26

1.7. Espalhamento de luz dinâmico (DLS)............................................................29

1.8. Filmes e matrizes porosas de alginato de sódio e pectina..............................33

1.9. Agentes reticulantes........................................................................................35

1.10. Bandagem para lesão e liberação controlada de fármaco.............................36

Capítulo 2......................................................................................................................43

2. Objetivos ...............................................................................................................43

2.1. Objetivo geral.................................................................................................43

2.2. Objetivos específicos......................................................................................43

Capítulo 3......................................................................................................................45

3. Parte experimental.................................................................................................45

3.1. Materiais.........................................................................................................45

vii

3.2. Determinação da razão das unidades M e G no alginato de sódio.................46

3.3. Determinação do grau de esterificação (GE) da pectina................................46

3.4. Viscosimetria..................................................................................................47

3.5. Espalhamento de luz dinâmico (DLS)............................................................48

3.6. Reologia..........................................................................................................50

3.7. Preparação de filmes.......................................................................................52

3.7.1. Espectroscopia no infravermelho dos filmes...........................................52

3.7.2. Termogravimetria (TG) ...........................................................................52

3.7.3. Calorimetria exploratória diferencial de varredura (DSC)......................53

3.7.4. Ensaios de tração dos filmes....................................................................53

3.7.5. Cinética de absorção de água (AA).........................................................54

3.8. Preparação das matrizes porosas....................................................................55

3.8.1. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)...........................................55

3.8.2. Ensaios de compressão das matrizes porosas..........................................55

3.9. Preparação de filmes e matrizes porosas de alginato de sódio/pectina

reticulados com CaCl

ou EDC............................................................................. 56

3.9.1. Razão de intumescimento (RI) de filmes em solução etanólica..............57

3.9.2. Razão de intumescimento em solução tamponada..................................58

3.9.3. Estabilidade em solução dos filmes e matrizes porosas reticulados........58

3.10. Adição de plastificante e reticulação com formaldeído ...............................59

3.10.1. Preparação dos filmes............................................................................59

3.10.2. Espectroscopia no infravermelho ..........................................................59

3.11. Incorporação de fármaco modelo nas matrizes porosas...............................59

3.11.1. Eficiência de incorporação do fármaco-modelo nas matrizes...............60

3.11.2. Liberação do fármaco-modelo a partir das matrizes porosas................60

Capítulo 4......................................................................................................................62

4. Resultados e discussões.........................................................................................62

4.1. Determinação do grau de esterificação da pectina (GE)................................62

4.2. Determinação da razão entre as unidades M e G no alginato de sódio..........63

4.3. Determinação da massa molar dos polissacarídeos........................................64

4.4. Viscosimetria..................................................................................................65

4.5. Espalhamento de Luz Dinâmico (DLS) .........................................................70

4.6. Comportamento Reológico: efeito da concentração dos polissacarídeos e da

blenda alginatode sódio/ pectina. ..........................................................................84

4.7. Efeito da concentração dos polissacarídeos, da adição de sal e da mistura de

alginato de sódio/ pectina: reologia dinâmica.......................................................89

4.7.1. Efeito do agente reticulante EDC: propriedades viscoelásticas. .............96

4.8. Caracterização físico-química de filmes e matrizes porosas não reticulados

.............................................................................................................................104

4.8.1. Espectroscopia de infravermelho dos filmes.........................................104

4.8.2. Termogravimetria (TG) .........................................................................105

4.8.3. Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)........................................108

4.8.4. Ensaios Mecânicos.................................................................................109

4.8.5. Cinética de Absorção de Água (AA).....................................................113

4.8.6. Microscopia Eletrônica de Varredura....................................................115

viii

4.8.7. MEV das matrizes porosas ....................................................................118

4.8.8. Ensaio de compressão............................................................................120

4.9. Caracterização físico-química de filmes e matrizes reticulados com CaCl

EDC.....................................................................................................................122

4.9.1. Razão de intumescimento (RI) de filmes reticulados em etanol-água ..122

4.9.2. Formação dos filmes e matrizes porosas...............................................124

4.9.3. Espectroscopia no infravermelho ..........................................................125

4.9.4. Microscopia Eletrônica de Varredura....................................................130

4.9.5. Ensaios mecânicos: Ensaio de tração dos filmes reticulados................135

4.9.6. Ensaios Mecânicos: Ensaios de compressão das matrizes porosas

reticuladas........................................................................................................139

4.9.7. Razão de intumescimento (RI) de filmes reticulados............................140

4.9.8. Razão de intumescimento de matrizes porosas .....................................145

4.9.9. Durabilidade dos filmes e matrizes porosas reticulados........................ 147

4.10. Adição do agente plastificante sorbitol e a reticulação dos filmes de alginato

de sódio e alginato de sódio/sorbitol com formaldeído.......................................148

4.10.1. Espectroscopia de infravermelho.........................................................148

4.10.2. Morfologia dos filmes..........................................................................151

4.10.3. Absorção de água.................................................................................154

4.10.4. Propriedades mecânicas.......................................................................158

4.11. Estudos preliminares de liberação de fármaco a partir de matrizes porosas

.............................................................................................................................161

4.11.1. Eficiência de incorporação do fármaco-modelo nas matrizes.............161

4.11.2. Liberação do fármaco-modelo das matrizes porosas...........................162

4.11.3. Microscopia Eletrônica de Varredura das matrizes.............................164

Capítulo 5....................................................................................................................166

5. Conclusões ..........................................................................................................166

Capítulo 6....................................................................................................................168

6. Referências bibliográficas...................................................................................168

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Estrutura e disposição alternada dos blocos M e G ao longo da cadeia de

ácido alginíco..................................................................................................................6

Figura 2 - Conformação dos blocos constituídos de resíduos: a) ácido α-L-gulurônico

e b) β-

D-manurônico no ácido algínico. .........................................................................7

Figura 3 - Estrutura química do alginato de sódio..........................................................9

Figura 4 - Modelo “egg box” proposto para alginato de sódio.....................................11

Figura 5 - Resíduos de ácidos α-D-galacturônicos da pectina......................................13

Figura 6 – Representação da estrutura química da pectina...........................................14

Figura 7 – Representação esquemática da interação do íon cálcio com as unidades

galacturônicas da pectina..............................................................................................17

Figura 8 - Representação esquemática das cadeias de a) pectina e b) alginato de sódio.

.......................................................................................................................................18

Figura 9 - Sistema ótico de um instrumento de espalhamento de luz, construído para a

observação a ângulos de 45, 90, 135 e 180º. ................................................................30

Figura 10 – Comparação esquemática das variações de concentração de um fármaco

administrado por métodos convencionais (a) e sistema de liberação controlada (b)

sendo A=administração do fármaco. ............................................................................40

Figura 11 – Espectro de NMR-H

da pectina...............................................................62

Figura 12 – Espectro de infravermelho do alginato de sódio.......................................63

Figura 13 - Gráfico da viscosidade reduzida em função da concentração da pectina (A)

e do alginato de sódio (B) em água deionizada (•), NaCl 0,1 mol.L

-1

(□), NaCl 0,1

mol.L

-1

com 1mmol.L

-1

de NaEDTA (ο) preparados a temperatura ambiente e para a

solução de alginato de sódio em KCl 0,1 mol.L

-1

preparado a temperatura ambiente

(▲) e a 80 ºC (U).........................................................................................................65

Figura 14 – Função de autocorrelação da intensidade espalhada para a solução de

pectina (A) e do alginato de sódio (B) preparados à temperatura ambiente em água (●)

e diferentes soluções salinas: NaCl 0,1mol.L

-1

(□) e KCl 0,1 mol.L

-1

(▲), medidas

realizadas a 25

C e θ=90

. ............................................................................................70

Figura 15 – Amplitude versus raio hidrodinâmico (R

) para as soluções de pectina (A)

e alginato de sódio (B) preparados à temperatura ambiente em água (●) e diferentes

soluções salinas: NaCl 0,1 mol.L

-1

(□) e KCl 0,1 mol.L

-1

(▲); medidas realizadas a

C e θ=90

, obtida pelo método CONTIN.............................................................71

Figura 16 - Função de autocorrelação da intensidade espalhada para a solução de

pectina (A) e do alginato de sódio (B) preparados à 80ºC em NaCl 0,1mol.L

-1

(■) e

KCl 0,1 mol.L

-1

(U), medidas realizadas a 25

C e θ=90

............................................ 74

Figura 17 - Amplitude versus raio hidrodinâmico (R

) para as soluções de pectina (A)

e alginato de sódio (B) preparados à 80º em NaCl 0,1 mol.L

-1

(■) e KCl 0,1 mol.L

-1

(U); medidas realizadas a 25

C e θ=90

, obtida pelo método CONTIN..................75

Figura 18 – R

(sem a dependência angular) versus concentração de NaEDTA das

soluções de pectina (A) e alginato de sódio (B) preparadas a temperatura ambiente em

NaCl 0,1 mol.L

-1

: modo rápido (●)(⎯) e modo lento (■)(⎯) e em NaCl 0,5 mol.L

-1

modo rápido (○) (…) e modo lento(□)(…). Medidas realizadas a 25ºC e θ=90º.........78

Figura 19 - R

obtido sem a dependência angular versus concentração de NaEDTA das

soluções de pectina (A) e alginato de sódio (B) preparadas em NaCl 0,1 mol.L

-1

diferentes temperaturas: modo rápido a temperatura ambiente (●)(⎯) e a 80º (○)(…) e

modo lento a temperatura ambiente(■ (⎯) e a 80ºC (□)(…). Medidas realizadas a

25ºC e θ=90º. ................................................................................................................ 79

Figura 20 – g

(t) em função do t (ms) (A) e amplitude versus R

(B) para solução de

alginato preparada em NaCl a 80ºC com diferentes concentrações de NaEDTA

0mmol.L

-1

(●); 1mmol.L

-1

(○) e 5 mmol.L

-1

(□). Medidas realizadas a 25ºC e θ=90º.80

Figura 21 - Função de autocorrelação da intensidade espalhada para a solução de

alginato (○), pectina (•) e suas blendas AS/P 30/70 (∆), AS/P 50/50 (◊) e AS/P 70/30

(□) preparadas em NaCl (A) e KCl (B) a 80ºC. Medidas realizadas a 25

C e θ=90

...81

Figura 22 - Amplitude versus raio hidrodinâmico (R

) para as soluções de alginato (○),

pectina (•) e suas blendas AS/P 50/50 (◊) e AS/P 70/30 (□) preparadas em NaCl (A) e

KCl (B) a 80ºC. Medidas realizadas a 25

C e θ=90

, obtida pelo método CONTIN...82

Figura 23 – R

sem a dependência angular para o modo rápido (A) e para o modo lento

(B) versus composição do alginato das soluções poliméricas preparadas em diferentes

soluções salinas e temperaturas: NaCl 0,1 mol.L

-1

(•) e KCl 0,1 mol.L

-1

(♦) à

temperatura ambiente e NaCl (○) e KCl à 80ºC(◊) ......................................................84

Figura 24 – Efeito da taxa de cisalhamento sobre a viscosidade para alginato de sódio

() e pectina (○)...........................................................................................................85

Figura 25 – Reogramas das soluções de (a) alginato de sódio e (b) pectina na

concentração 20g/L e temperatura 25ºC.......................................................................86

Figura 26 – Efeito da composição das blendas sobre o índice de comportamento de

fluxo (a) e o coeficiente de consistência (b) a 25ºC. ....................................................88

Figura 27 – Evolução dos módulos de perda (G´) (a) e de estoque (G´´) (b) em função

da freqüência para diferentes concentrações 10 (●); 20 (■); 30 (d) e 40 (S) (g/L) de

alginato de sódio...........................................................................................................90

Figura 28 - Evolução dos módulos de perda (G´) (a) e de estoque (G´´) (b) em função

da freqüência para diferentes concentrações 10 (●); 20 (■); 30 (d) e 40 (S) (g/L) de

pectina........................................................................................................................... 91

Figura 29 – Evolução dos módulos de perda G´(símbolos abertos) e de estoque G´´

(símbolos fechados) para o alginato de sódio (a) e pectina (b) 20g/L em diferentes

solventes: (○) (●) água, (□) (■) NaCl 0,1 mol.L

-1

e (∆) (S) NaCl 0,1 mol.L

-1

1mmol.L

-1

NaEDTA.....................................................................................................92

Figura 30 – Viscosidade dinâmica (η*) em função da taxa de cisalhamento em

diferentes soluções: (●) água, (■) NaCl 0,1 mol.L

-1

e (S) NaCl 0,1 mol.L

-1

e NaEDTA

1mmol.L

-1

para solução (20g/L) de alginato de sódio (a) e pectina (b). ......................94

Figura 31 - Módulo de estoque (G´) (a) e módulo de perda (G´´) (b) em função da

freqüência para alginato de sódio (○), pectina (S) e suas blendas AS/P 70/30 (),

AS/P 50/50 (□) e AS/P 30/70 (●) em solução aquosa (20 g/L)....................................95

Figura 32 – Cinética de reticulação para a pectina (A) e blenda AS/P 10/90 (B) na

presença de 25 mmol.L

-1

de EDC, sendo G´ () e G´´ (○). ..........................................97

Figura 33 – Cinética de reticulação para a blenda AS/P 20/80 (A) e AS/P 30/70 (B) na

presença de 25 mmol.L

-1

de EDC, sendo G´ () e G´´ (○). ..........................................98

Figura 34 – Evolução do G´ (•) e G´´(ο) da solução de pectina e G´ (■) e G´´ (□) da

solução A/P 10/90 após adição do agente reticulante EDC.......................................... 99

Figura 35 - Evolução do G´ (•) e G´´(ο) da solução A/P 20/80 e G´ (■) e G´´ (□) da

solução A/P 30/70 após adição do agente reticulante EDC........................................100

Figura 36 – Viscosidade dinâmica (η*) para solução de pectina (•) e para as blendas

A/P: 10/90(ο); 20/80 (■) e 30/70 (□) reticuladas com EDC.......................................101

Figura 37 - Representação esquemática do mecanismo do EDC em solução aquosa.102

Figura 38 – Espectro de infravermelho do filme de alginato reticulado com EDC em

solução. ....................................................................................................................... 103

Figura 39 - Espectro de infravermelho de filmes de alginato (AS), pectina (P) e

blendas AS/P...............................................................................................................104

Figura 40 - Curvas TG (a) e DTG (b) para os filmes de alginato de sódio, pectina e

blendas AS/P...............................................................................................................106

Figura 41 - Comparação do modelo de Fox aplicado aos filmes de alginato, pectina e

as blendas AS/P, em função da fração de pectina (w)................................................109

xii

Figura 42 – Módulo de elasticidade para filmes de alginato de sódio, pectina e suas

blendas. .......................................................................................................................111

Figura 43 – Deformação na ruptura para filmes de alginato de sódio, pectina e suas

blendas. .......................................................................................................................112

Figura 44 – Tensão máxima obtida para filmes de alginato de sódio, pectina e suas

blendas. .......................................................................................................................113

Figura 45 - Curva de absorção de vapores de água para filmes de alginato de sódio,

pectina e blendas AS/P a UR 43%..............................................................................114

Figura 46 – Curva de absorção de vapores de água para filmes de alginato de sódio,

pectina e suas blendas a UR 75%. ..............................................................................115

Figura 47 – Morfologia dos filmes de alginato de sódio (a), pectina (b) e blendas AS/P

70/30 (c), AS/P 50/50 (d), AS/P 30/70 (e) e secção transversal do filme de alginato de

sódio (f).......................................................................................................................116

Figura 48 - Espectroscopia de energia dispersiva (EDS) de filme de alginato de sódio

(a) e pectina (b)...........................................................................................................117

Figura 49 – Morfologia das matrizes porosas de alginato de sódio (a), AS/P 70/30 (b),

AS/P 50/50 (c), AS/P 30/70 (d) e pectina (e) (f). .......................................................119

Figura 50 – Morfologia da matriz porosa AS/P 30/70 (a) superfície e (b) secção

transversal. ..................................................................................................................120

Figura 51 – Módulo de compressão () e tensão máxima (•) das matrizes em função da

composição de pectina................................................................................................121

Figura 52 - Efeito da concentração de etanol sobre a RI de filmes de alginato de sódio,

pectina e blendas AS/P em etanol-água......................................................................123

Figura 53 – Espectro de infravermelho do filme de alginato de sódio reticulado com

cálcio........................................................................................................................... 126

Figura 54 - Espectro de infravermelho dos filmes reticulados com cálcio das blendas

AS/P em diferentes composições................................................................................126

Figura 55 – Espectro de infravermelho do filmes de alginato de sódio reticulado com

EDC a pH 5.................................................................................................................127

Figura 56 – Espectro de infravermelho da pectina reticulada com EDC a pH 4........128

Figura 57 – Espectro de infravermelho das blendas de alginato de sódio/pectina

reticuladas com EDC a pH 4....................................................................................... 129

xiii

Figura 58 – Micrografia de MEV dos filmes de AS/P 70/30 reticulados com cálcio (a)

e (b) e de AS/P 50/50 reticulados com EDC (c) e (d). ...............................................130

Figura 59 – Espectro de espectroscopia de energia dispersiva (EDS) do filme de AS/P

70/30 reticulado com cálcio........................................................................................131

Figura 60 – Micrografia de MEV das matrizes porosas de alginato, AS/P 70/30, AS/P

50/50 e pectina reticuladas com cálcio (a, c, e, g) e EDC (b, d, f, h). ........................132

Figura 61 – Microscopia de MEV da secção transversal das matrizes de pectina (a,c) e

alginato (b,d) reticuladas com cálcio e EDC. .............................................................135

Figura 62 – Módulo de Young dos filmes reticulados com cálcio e EDC em função da

composição de pectina................................................................................................136

Figura 63 – Gráfico de deformação na ruptura em função da composição de pectina

para os filmes reticulados com cálcio e EDC.............................................................137

Figura 64 – Gráfico da tensão máxima em função da composição de pectina para os

filmes reticulados com cálcio e EDC..........................................................................138

Figura 65 - Módulo de compressão (A) e tensão máxima (B) das matrizes reticuladas

com cálcio (z) e EDC (), respectivamente em função da composição de pectina. 139

Figura 66 – Razão de intumescimento em função do tempo (h) dos filmes reticulados

com cálcio...................................................................................................................141

Figura 67 – Representação do arranjo paralelo (a) e antiparalelo (b) da associação

(cadeia-Ca

-cadeia) das cadeias gulurônicas. Os círculos em preto representam os

íons cálcio, (⎯) a coordenação com o cálcio e (---) as ligações hidrogênio..............142

Figura 68 - Representação do arranjo antiparalelo (a) e (b) da associação (cadeia-Ca

cadeia) das cadeias galacturônicas. Os círculos em preto representam os íons cálcio,

(⎯) a coordenação com o cálcio e (---) as ligações hidrogênio.................................143

Figura 69 - Razão de intumescimento em função do tempo (h) dos filmes reticulados

com EDC..................................................................................................................... 144

Figura 70 – Razão de intumescimento das matrizes porosas reticuladas com cálcio.146

Figura 71 - Razão de intumescimento das matrizes porosas reticuladas com EDC...147

Figura 72 - Espectro na região do infravermelho: (A) alginato de sódio e (B) alginato

de sódio/sorbitol (70/30) para filmes (a) não reticulados and (b) reticulados,

respectivamente...........................................................................................................150

Figura 73 - Micrografia de MEV dos filmes de alginato de sódio: (A) e (C) não

reticulados, (B) e (D) reticulados com formaldeído...................................................152

xiv

Figura 74 - Micrografia de MEV dos filmes de alginato de sódio/sorbitol (70/30): (A)

e (C) não reticulados, (B) e (D) reticulados com formaldeído...................................153

Figura 75 - Razão de inchamento dos filmes reticulados de alginato de sódio/sorbitol

preparados por imersão em solução de formaldeído por 24 h....................................154

Figura 76 - Absorção de água por filmes de alginato de sódio/sorbitol: (A) não

reticulados, e B) reticulados por imersão em solução de formaldeído por 24 h.........156

Figura 77 - Equilíbrio de absorção de água em função da quantidade de sorbitol para

filmes de alginato de sódio/sorbitol não reticulados e reticulados.............................158

Figura 78 - Módulo de elasticidade de filmes de alginato de sódio/sorbitol não

reticulados e reticulados..............................................................................................159

Figura 79 – Tensão máxima de filmes de alginato de sódio/sorbitol não reticulados e

reticulados...................................................................................................................160

Figura 80 – Deformação na ruptura de filmes de alginato de sódio/sorbitol não

reticulados e reticulados..............................................................................................161

Figura 81 – Perfil de liberação do paracetamol das matrizes reticuladas com cálcio.162

Figura 82 – Perfil de liberação do paracetamol das matrizes reticuladas com EDC..163

Figura 83 – Micrografias da secção transversal da matriz AS/P 30/70 reticulada com

EDC antes (a, b, c) e após (d) o experimento de liberação do paracetamol...............164

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Proporção das unidades M e G em diferentes fontes de alginato................. 8

Tabela 2 - Conteúdo de pectina em algumas frutas tropicais....................................... 12

Tabela 3 - Valores de pH das soluções poliméricas (2×10

-3

g/mL) a 25,0±0,2ºC.........48

Tabela 4 – Constante de Mark-Houwink para alginato de sódio e pectina..................64

Tabela 5 – Valores de viscosidade intrínseca para o sistema alginato de sódio/pectina

em diferentes condições................................................................................................ 67

Tabela 6 - Raio hidrodinâmico (sem a dependência angular) relacionados aos modos

de relaxação rápido e lento para soluções de alginato de sódio e pectina em diferentes

condições.......................................................................................................................73

Tabela 7 – Parâmetros do modelo da lei das potências para alginato de sódio e pectina

em diferentes concentrações.........................................................................................87

Tabela 8 - Parâmetros termogravimétricos referentes aos filmes formados de alginato

de sódio, pectina e blendas AS/P................................................................................107

Tabela 9 - Temperatura de transição vítrea (Tg) de filmes de alginato de sódio, pectina

e blendas AS/P............................................................................................................108

Tabela 10 - Resultados obtidos para o módulo de Young, deformação na ruptura e

tensão máxima para os filmes de alginato de sódio, pectina e blendas AS/P na presença

de diferentes umidades relativas.................................................................................110

Tabela 11 - Tamanho médio dos poros das matrizes porosas reticuladas..................133

xvi

LISTA DE ABREVIATURAS



Taxa de cisalhamento

Coeficiente de consistência

θ Ângulo de espalhamento

λ Comprimento de onda da radiação

β Fator de coerência espacial que depende da geometria de detecção e da

razão da intensidade espalhada pelo polímero e pelo solvente

ω Freqüência de cisalhamento

Γ Taxa de decaimento (freqüência de relaxação)

τ Tempo de decaimento

σ Tensão de cisalhamento

η Viscosidade da solução

Viscosidade dinâmica

Comprimento de onda no vácuo da radiação incidente

red

Viscosidade reduzida

[η] Viscosidade intrínseca

A(τ) Funções distribuição do tempo de decaimento

A(Γ) Funções distribuição da taxa de decaimento

AA Cinética de absorção de água

xvii

AS Alginato de sódio

ASTM American Society for Testing and Materials

B Linha de base

D Coeficiente de difusão translacional

DLS Espalhamento de luz dinâmico

DSC Calorimetria Exploratória Diferencial

DTG Derivada Termogravimétrica

EDC Hidrocloreto de 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida

EDS Espectroscopia de energia dispersiva

FTIR Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourrier

G Unidades gulurônicas do alginato de sódio/ ácido algínico

(1)

(t) Função de autocorrelação homodina no tempo do campo elétrico

(2)

(t) Função de autocorrelação homodina no tempo da intensidade de luz

espalhada

G´ Módulo elástico ou de armazenamento

G´´ Módulo viscoso ou de perda

GDL

D-glucono-δ-lactona

GE Grau de esterificação ou de metoxilação

K e a Constantes para um determinado par polímero-solvente em uma

determinada temperatura, usadas para determinação da massa molar.

K Constante de Boltzmann

xviii

L Comprimento de contorno

m Massa

M Unidades manurônicas do alginato de sódio/ácido algínico

Massa no tempo inicial

MEV Microscopia Eletrônica de Varredura

Massa no tempo final

Massa molar numérica média

Massa molar viscosimétrica média

Massa molar ponderal média

n Índice de comportamento do fluxo

n Índice de refração do meio propagante

P Pectina

PEO Poli (óxido etileno)

pH Potencial hidrogeniônico

PVA Poli (vinil álcool)

q Vetor de onda de espalhamento

Desvio padrão

Raio hidrodinâmico

RI Razão de Intumescimento

RMN- H

Ressonância Magnética Nuclear de Próton

xix

S Sorbitol

T Temperatura

t Tempo

e T

Temperaturas de transição vítrea dos polissacarídeos 1 e 2

Temperatura de transição vítrea da blenda

Temperatura de fusão

TG Termogravimetria

Temperatura de Transição Vítrea

UR Umidade Relativa

UV Ultravioleta

v Volume

e w

Frações mássicas dos polissacarídeos 1 e 2

RESUMO

A substituição total ou parcial do alginato de sódio (AS) por pectina de frutas cítricas

(P) na preparação de filmes e matrizes porosas destinados ao uso como sistema de

liberação controlada de fármaco e ao mesmo tempo como bandagens para

lesões/queimaduras, promoveria uma redução no custo do produto final com a

utilização de uma matéria-prima de grande abundância no Brasil. Tendo isso em vista,

foram estudadas diversas propriedades físico-químicas do alginato, pectina e blendas.

No estudo viscosimétrico e de DLS, realizados em diferentes condições, foi observado

que o efeito polieletrolítico das soluções de AS e de P em água diminui com a adição

de sais de metais alcalinos, dependendo das propriedades dos cátions envolvidos, do

grau de quebra das ligações de hidrogênio (e/ou hidrofóbicas) inter e intracadeias, e

principalmente da estrutura dos polissacarídeos e seu grau de ionização em solução.

As propriedades mecânicas, térmicas e a capacidade de absorção de água dos filmes de

AS e de P, bem como as propriedades mecânicas, nas matrizes porosas desses dois

polímeros puros, não apresentaram diferença significativa. Contudo, nos casos das

matrizes, a conectividade e o tamanho dos poros são nitidamente menores para aquelas

obtidas a partir da pectina.

Todos os filmes apresentaram uma morfologia compacta sem a presença de poros e

separação de fase.

Para todos os filmes, o efeito da umidade relativa foi comprovado através da

diminuição do módulo de elasticidade e tensão máxima, do aumento da deformação na

ruptura, e da absorção de água. Com base neste comportamento o efeito da adição de

plastificante, o sorbitol, também foi avaliado.

A formação de ligações cruzadas nos polissacarídeos puros e nas blendas com CaCl

hidrocloreto de 1-etil-3-(3-dimetilamino propil) carbodiimida (EDC) foi comprovada

pela presença da banda em 1700 cm

-1

no caso do EDC e pelo deslocamento da banda

em 1420 cm

-1

para o CaCl

. A reticulação dos filmes de AS e AS/sorbitol com

formaldeído também foi investigada. Esse processo promoveu o aumento do módulo e

da tensão máxima dos filmes e matrizes, e também a diminuição da solubilidade. A

reticulação com o EDC também foi evidenciada pela intersecção dos módulos G’ e G’’

para pectina, com a diminuição das propriedades viscoelásticas com a adição de AS na

solução.

Um sistema modelo para avaliação da cinética de liberação do paracetamol a partir das

matrizes porosas apresentou dependência da composição e do agente reticulante

utilizado, e todas apresentaram liberação total do fármaco em um período de 48h.

De modo geral, todas as propriedades físico-quimicas das blendas de AS/P foram

dependentes da sua composição e não apresentaram nenhum efeito sinérgico.

xxi

ABSTRACT

The total or partial substitution of sodium alginate (AS) for citrus fruit pectin (P) in the

preparation of films and porous matrices to use as systems of drug controlled release

and at the same time as wound dressings, would promote a reduction in the cost of the

final product using raw material largely produced in Brazil. Thus, several physico-

chemical properties of sodium alginate, pectin and blends AS/P were studied.

In the viscosimetric and dynamic light sccatering studies in different conditions, was

observed that the polyelectrolyte effect of the AS and P solutions in water decreased

with the addition of alkaline metals salts. This behavior was dependant on the

properties of the cations, the degree of disruption of the hydrogen bonds (and/or

hydrophobic) inter and intra-chains and mainly the structure of the polysaccharides

and its degrees of ionization in solution.

The mechanical, thermal and water uptake properties of either AS or P films, as well

as the mechanical properties of porous matrices of this polysaccharides, were either

small or negligible. However, in the case of the porous matrices, the porous

connectivity and the size of pectin matrices was lower than those for the AS matrices.

All the films presented a dense morphology without pores and phase separation.

For all the films, the effect of the relative humidity was confirmed by the decrease of

Young’s modulus and tensile strength, the increase of the elongation at break and the

water uptake. In this way, the effect of the plasticizer addition, sorbitol, was also

evaluated.

The crosslinking of AS, P and AS/P blends with CaCl

and EDC was confirmed by

the presence of the band 1700 cm

-1

in the case of the EDC and by the shifting to higher

wavenumbers at 1420 cm

-1

for CaCl

. The crosslinking of the AS and AS/sorbitol

films with formaldehyde was also investigated. This process promoted the increase of

the Young´s modulus and the tensile strength of the films and matrices, and also the

reduction of solubility. The crosslinking with the EDC was also evidenced by the

intersection of G’ and G’’ modulus for pectin, decreasing the viscoelastic properties

with addition of AS in the solution.

The drug delivery studies of the porous matrices were dependent of the composition

and crosslinking agents, and showed total release of paracetamol in 48h.

In summary, all the physico-chemical properties of AS/P blends were dependent of its

composition and not showed synergistic effect.

CAPÍTULO 1

1. INTRODUÇÃO

O tratamento de lesões cutâneas tem sido alvo de diversos estudos nos

últimos anos com o objetivo de obter melhores resultados na cicatrização das mesmas

em um curto período de tempo. Nos últimos 30 anos, o tratamento de lesões como, por

exemplo, úlcera de pressão, revolucionou-se com a substituição dos tradicionais

materiais à base de algodão

[1]

por bandagens à base de fibras naturais, como alginato

de sódio e pectina, que apresentam como vantagens: biocompatibilidade,

biodegradabilidade e a possibilidade de adquirir a forma de gel à medida que absorve o

exsudato da lesão, eliminando a ligação das fibras com a lesão que é a maior causa de

desconforto/trauma para o paciente durante a remoção da bandagem.

[2]

Assim, algumas características devem ser consideradas para manter o

ambiente propício para a reparação do tecido: 1) manter a umidade na interface

lesão/bandagem; 2) remover o excesso de exsudato; 3) permitir as trocas gasosas; 4)

promover o isolamento térmico; 5) proporcionar proteção contra microorganismos

prevenindo infecções; 6) ser isento de partículas e contaminantes; 7) permitir a

remoção sem causar traumas; 8) todos os componentes da bandagem, incluindo a parte

adesiva, devem ser biocompatíveis e não provocar reações alérgicas quando em

contato prolongado com o tecido; e principalmente, 9) ser de baixo custo.

[1]

Além da reparação do tecido, essas bandagens podem ser utilizadas como

veículo de liberação de fármacos no local da lesão, o que seria vantajoso ao paciente

evitando o esquecimento e a administração diária do agente ativo.

A tecnologia de liberação controlada de princípios ativos (por exemplo,

fármacos) é uma das áreas científicas que vem avançando rapidamente nos últimos

anos com a contribuição decisiva da interdisciplinaridade entre as áreas.

Capítulo 1 – Introdução 2

Este campo de pesquisa vem despertando interesse de indústrias e

pesquisadores visto que, controlar a liberação de uma molécula para o meio externo

pode, por exemplo: 1) diminuir o número de doses de um fármaco ingerido por um

paciente, reduzindo o risco de esquecimento; 2) diminuir efeitos colaterais de

medicamentos; 3) proteger os fármacos de degradação no organismo logo após sua

ingestão; etc.

[3, 4]

Muitos polímeros sintéticos e naturais são utilizados na liberação de uma

substância. São exemplos, o poli(etileno), poli(vinil álcool), poli(ácido acrílico),

poli(etilenoglicol), polissacarídeos, proteínas entre outros.

A duas formas através das quais um polímero atua na liberação do fármaco

é pelo controle da difusão deste através da matriz polimérica e/ou através do

intumescimento da matriz e progressiva liberação do fármaco. Para atingir índices de

liberação adequados é importante conhecer as propriedades físico-químicas tanto do

fármaco quanto do polímero.

[5]

Misturas de polímeros (blendas) que formam complexos interpoliméricos

também vêm despertando o interesse dos pesquisadores, pois estas misturas podem

apresentar características bem diferentes dos seus polímeros originais, permitindo a

preparação de diversos sistemas de liberação de fármaco modificando apenas as

quantidades dos polímeros na mistura.

[6, 7]

Neste estudo será apresentada a importância, as aplicações (destacando

aquelas que visam aplicações em sistemas de liberação controlada de fármacos e

bandagens para lesões), métodos de caracterização, reticulação e as características de

dois polissacarídeos naturais: o alginato de sódio e a pectina de frutas cítricas e

blendas destes polímeros.

Capítulo 1 – Introdução 3

1.1. Justificativa

A pesquisa na área de polímeros intensificou-se nos últimos anos, tanto na

aplicação destes na área alimentícia

[8-11]

, nanotecnológica

[12]

ou farmacêutica

[13-15]

Dentre os polímeros, os classificados como sintéticos têm sido utilizados em diferentes

aplicações devido a suas propriedades térmicas e mecânicas, entretanto possuem uma

desvantagem, a não-biodegradabilidade.

Assim, os polímeros naturais, como os polissacarídeos, vêm ganhando

espaço devido, em parte, pela biodegradabilidade e a não-toxicidade. Além de serem

utilizados como suporte para liberação de fármacos alguns polissacarídeos são

empregados como bandagens no tratamento de lesões como, úlcera de pressão, úlcera

diabética e queimaduras.

Neste trabalho foram escolhidos os polissacarídeos alginato de sódio e

pectina para preparação de bandagens para lesões. A bandagem de alginato já vem

sendo utilizada para esse fim, mas seu custo é uma barreira para o tratamento. Esse

problema pode ser contornado com substituição total ou parcial de pectina na

preparação destas bandagens, já que a pectina é um biopolímero de fácil obtenção,

sendo extraída de cascas de frutas cítricas, o que não seria problema no caso do Brasil,

o que adicionaria mais uma forma de aproveitamento deste subproduto que em muitos

casos são descartados.

Dentro deste contexto, este estudo tem como objetivo aumentar a utilização

de pectina de frutas cítricas, devido suas propriedades inerentes, na preparação de

bandagens e ao mesmo tempo como veículo de liberação de fármacos para o

tratamento de lesões.

Assim, buscou-se contribuir para uma melhor comprensão das propriedades

físico-químicas da pectina, alginato de sódio e suas blendas. O conhecimento das

propriedades em solução e na forma de filmes e também de matrizes porosas é de

extrema importância para futuras aplicações.

Capítulo 1 – Introdução 4

A pectina e o alginato de sódio são polieletrólitos que apresentam

comportamentos diferentes em solução dependendo do solvente (água ou solução

salina), efeito da concentração do sal e temperatura de preparação. Desta forma, a

primeira etapa do estudo foi avaliar o comportamento em soluções de pectina, alginato

de sódio e das blendas alginato de sódio/pectina. Embora alguns estudos sejam

encontrados na literatura, continuam ainda pouco entendidos o efeito da força iônica e

sua concentração, efeito da temperatura de preparação, agente complexante e a

interação entre alginato de sódio e pectina. O raio hidrodinâmico (R

) dos

polissacarídeos puros e também das blendas alginato de sódio/pectina foram

determinados. Esses parâmetros foram avaliados utilizando-se a técnica de

espalhamento de luz dinâmico (DLS). A influência do solvente, concentração salina,

temperatura de preparação das soluções e agente complexante foi avaliada também por

viscosimetria.

Para determinadas aplicações dos filmes e matrizes porosas de pectina e

suas blendas com alginato de sódio como bandagens e sistemas de liberação

controlada de fármaco, torna-se necessário reticular estes sistemas devido sua

solubilidade em meio aquoso. Uma vez que as propriedades reológicas e a viscosidade

podem ser controladas com a adição de agentes reticulantes, torna-se importante a

avaliação destes parâmetros. A reticulação (formação de ligações cruzadas) pode

aumentar a resistência mecânica do material. Nesta etapa do estudo, foi escolhido

como agente reticulante o hidrocloreto de 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil)

carbodiimida também conhecido como EDC, que ao contrário dos agentes reticulantes

convencionais, como o glutaraldeído ou poliepóxidos, é ausente no produto final da

reticulação, e seus subprodutos de degradação são derivativos da uréia, e, portanto de

baixa toxicidade.

[16]

Além do efeito do agente reticulante, a influência da concentração

dos polissacarídeos puros e da composição das blendas foram avaliados.

Além do conhecimento do comportamento físico-químico do alginato de

sódio, pectina e suas blendas em solução é importante analisar as características

mecânicas e térmicas, além do estudo de absorção de água em diferentes umidades

relativas, intumescimento dos filmes e matrizes porosas preparadas a partir dessas

Capítulo 1 – Introdução 5

soluções. Devido à solubilidade desses sistemas em água torna-se necessária a

reticulação, onde é investigado o efeito dos agentes reticulantes EDC e cloreto de

cálcio. Um estudo paralelo sobre a influência do plastificante sorbitol sobre a

reticulação com formaldeído em filmes de alginato de sódio também foi investigada.

Como parte da aplicação das matrizes porosas como sistema de liberação de

fármaco na forma de bandagens, o estudo da cinética de liberação de um fármaco-

modelo, paracetamol, foi avaliado.

1.2. Polissacarídeos

Carboidratos compreendem mais de 90% do peso seco de toda a biomassa e

mais que 90 % da massa dos carboidratos estão na forma de polímeros

(polissacarídeos). Em 1996, o consumo industrial anual nos Estados Unidos foi cerca

de três milhões de toneladas de polissacarídeos. A extensiva utilização dos

polissacarídeos está associada à abundância, a caracterísitca renovável, não toxidez e a

possibilidade de introduzir modificações químicas e bioquímicas em sua estrutura.

[17]

Os polissacarídeos são polímeros constituídos de pequenas unidades

chamadas de monômeros. Estes por sua vez podem se arranjar ao longo da cadeia na

forma linear ou ramificada. Se as unidades monoméricas são iguais, o polissacarídeo é

denominado homopolissacarídeo (por exemplo, a celulose), por outro lado, se a cadeia

polimérica é composta por dois ou mais monômeros diferentes é denominado

heteropolissacarídeo (por exemplo, o alginato de sódio).

1.3. Alginato de sódio

1.3.1. Origem

O alginato de sódio é obtido a partir da extração com álcali diluído do ácido

algínico encontrado em algas marrons e bactérias. O ácido algínico foi descoberto em

1880 por E.C.C. Stanford, um químico que patenteou o isolamento do ácido algínico

Capítulo 1 – Introdução 6

em 1881, mas seu processo não foi um sucesso comercial e apenas em 1930 foi

desenvolvida uma metodologia moderna de produção do mesmo. Em 1929, a Kelco

Company começou a produção comercial de ácido algínico solúvel no leite como um

estabilizante para sorvetes. Mais recentemente, a Merck and Co., Inc adquiriram e

uniram a Kelco Company e British Company, originando a Alginate Industries, Ltd.

Entretanto o maior produtor mundial de alginato é a compania Peoples Republic of

China (PRC). A produção mundial de ácido algínico e produtos derivados não são

conhecidos, no entanto, estima-se que são produzidas 15.000-20.000 toneladas/ano.

[8]

O ácido algínico é um heteropolissacarídeo de ocorrência natural,

pertencente à família dos polissacarídeos lineares não-ramificados. Embora o alginato

purificado fosse produzido por Krefting em 1863

[18]

, a estrutura foi determinada

somente no final de 1955. Foram identificadas duas espécies de resíduos de ácidos

urônicos, o ácido β-D-manurônico (M) e o seu epímero no C5 o α-L-gulurônico (G)

unidos por ligações (1→4). Esses resíduos

[19]

estão dispostos em blocos alternados e

podem variar largamente em composição e seqüência (Figura 1) ao longo da cadeia

determinando as propriedades do ácido algínico.

Figura 1 – Estrutura e disposição alternada dos blocos M e G ao longo da cadeia

de ácido alginíco.

A conformação glicosídica nos blocos constituídos de resíduos de ácido β-

D-manurônico são equatorial-equatorial e para os blocos de resíduos de ácido α-L-

gulurônico são axial-axial

[20]

(Figura 2).

Capítulo 1 – Introdução 7

(a)

(b)

Figura 2 - Conformação dos blocos constituídos de resíduos: a) ácido α-L-

gulurônico e b) β-

D-manurônico no ácido algínico.

1.3.2. Fonte

Comercialmente, o ácido algínico é extraído de algas marrons

(Phaeophyceae) e bactérias

[21]

, mas apenas o ácido algínico obtido de algas marrons

será detalhado neste estudo.

Em geral, as algas marrons variam largamente quanto à espécie e local. Em

áreas com baixa ação das ondas do mar, sua vida pode se prolongar ao longo de 15

anos, enquanto em áreas turbulentas, essas plantas são anuais. Entre essas algas as

mais importantes são Macrocystis pyrifera (Costa Pacífica das Américas),

Ascophyllum nodosum (Europa), Laminaria (Europa e Japão) e Ecklonia species (sul

da África), destacando-se a não ocorrência dessas algas no Brasil. O ácido algínico

pode constituir cerca de 20-40% da matéria seca nas algas. A escolha das algas para

produção comercial não é apenas influenciada pelo seu preço, mas pelo tipo de ácido

algínico presente na alga, desde que a sua estrutura determina algumas propriedades.

[8]

Capítulo 1 – Introdução 8

1.3.3. Método de isolamento e estrutura do alginato de sódio

Macrocystis pyrifera é uma fonte comercial primária de ácido algínico,

cresce em águas relativamente calmas e seu rápido crescimento permite sua colheita

mais de quatro vezes por ano. Outras importantes espécies de algas marrons que são

cultivadas para obtenção de ácido algínico são Ecklonia máxima, Ecklonia cava,

Eisenia biciclis e Lessonia nigrecens.

[8]

Algumas características do ácido algínico

como a proporção das unidades G e M dependem do tipo de alga (Tabela 1)

[22]

, que

por sua vez determinam sua interação com os íons cálcio.

Tabela 1 – Proporção das unidades M e G em diferentes fontes de alginato.

Fonte % M % G % Alternada

M. pyrifera

40,6 17,7 41,7

A.nodosum

38,4 20,7 41,0

L. hyperborea

12,7 60,5 26,8

No estado nativo, o ácido alginíco existe como uma mistura de cátions,

provenientes dos sais que são encontrados no mar. O ácido algínico presente nas algas

comporta-se como um material de troca iônica e na forma de sal sofre uma reação de

troca de base, envolvido em um equilíbrio com os sais presentes no mar. Assim, ácido

algínico nativo existe principalmente como um gel insolúvel, devido à reticulação com

íons Ca

e em menor proporção com íons Sr

[8]

O processo de extração do alginato começa com a trituração das algas. No

primeiro estágio do processo, o alginato permanece insolúvel em água e os

constituintes solúveis podem ser removidos com a lavagem com água quente. A

seguir, as algas são lavadas com uma solução de álcali forte e a mistura é aquecida

para extração e dissolução do ácido algínico que é precipitado com a adição de cloreto

de cálcio. O alginato de cálcio resultante é tratado com ácido para produção de ácido

algínico. Carbonato de sódio é adicionado para produção de uma pasta de alginato de

Capítulo 1 – Introdução 9

sódio, que é seca e moída originando o alginato de sódio na forma de pó.

[8]

A Figura 3

mostra a estrutura do alginato de sódio como sal de sódio do ácido algínico.

COO-

-OOC

D-manurônico L-gulurônico

Figura 3 - Estrutura química do alginato de sódio.

1.3.4. Propriedades e aplicações do alginato de sódio.

Alginato de metais alcalinos, amônia e algumas bases orgânicas de baixa

massa molar são solúveis em água, entretanto, alginato de metais divalentes, exceto de

magnésio, são insolúveis. Não há ainda um limite definido da solubilidade desses

alginatos, o que é conhecido é que aumentando a concentração do mesmo, sua mistura

com a água passa de líquido viscoso para pastas ou sólidos plásticos, dependendo do

grau de polimerização. Medidas de viscosidade e espalhamento de luz de soluções de

alginato de sódio obtido de algas são polidispersos e a massa molar média pode variar

de 4,6×10

a 37,0×10

[8]

Soluções de alginato são polieletrólitos típicos e as propriedades dessas

soluções são modificadas pela mudança da força iônica, por exemplo, com a adição de

pequenas quantidades de eletrólitos que reduzem a viscosidade de soluções diluída de

alginato, enquanto grande quantidade precipita o polissacarídeo. Em geral, alginato

rico em ácido manurônico são mais rapidamente precipitados por sais de potássio que

aqueles com alto conteúdo de ácidos gulurônicos. Ao contrário, alginatos ricos em

ácidos gulurônicos precipitam mais rapidamente com sais de sódio.

[8]

O alginato de sódio, quando dissolvido em água, forma soluções com

comportamento Newtoniano ou não Newtoniano. As variáveis físicas que afetam suas

propriedades em solução são: a temperatura, a massa molar do polímero, a taxa de

Capítulo 1 – Introdução 10

cisalhamento e a concentração. As variáveis químicas que afetam as soluções de

alginato de sódio são: o pH, agentes complexantes, sal monovalente e cátions

polivalentes.

[23]

As propriedades de escoamento das soluções de alginato de sódio

dependem da concentração. Uma solução com 2,5% (m/v) de alginato de sódio

(viscosidade média) é pseudoplástica em uma grande faixa de taxa de cisalhamento

(10-10.000 s

-1

), enquanto uma solução 0,5% (m/v) é Newtoniana a baixas taxas de

cisalhamento (1-100 s

-1

) e pseudoplástica a altas (1000-10.000 s

-1

). Se os metais

alcalinos no alginato de sódio forem substituídos por cátions divalentes, a solução

apresentará uma alta viscosidade em relação à solução de alginato de sódio. Alem

disso, uma alta proporção de ácido gulurônico no alginato de sódio também favorece o

aumento da viscosidade com cátions divalentes.

Uma das propriedades mais importantes do alginato de sódio é a formação

de gel com cátions Ca

, devido a sua importância comercial para determinadas

aplicações como a liberação controlada de fármacos e também para a indústria

alimentícia em geral. A adição de cálcio em alginato em condições controladas

permite uma interação altamente específica entre os íons cálcio e as regiões dos blocos

G do polissacarídeo. A conformação em dupla hélice do alginato de sódio facilita a

interação entre as cadeias. O alinhamento dessas regiões cria cavidades com o formato

de losangos que podem ser preenchidas por moléculas de água ou cátions. Evidências

têm mostrado, de fato que cátions, particularmente cálcio, preenchem esses espaços

fortalecendo a interação entre esses resíduos.

[24, 25]

Técnicas de dicroísmo circular e de

modelagem molecular

[25, 26]

têm mostrado que os íons cálcio (presentes nas cavidades)

estão fortemente coordenados. Para cada cadeia, os sítios de coordenação envolvem o

oxigênio carboxílico e o oxigênio do carbono 5 de um resíduo, com o oxigênio

glicosídico e os oxigênios dos carbonos 2 e 3 do resíduo próximo. Assim, íons cálcio

estão ligados à cadeia do polissacarídeo, como se fossem ovos em um caixa de ovos,

(modelo chamado “egg-box” ) (Figura 4).

Capítulo 1 – Introdução 11

-OOC

COO-

Figura 4 - Modelo “egg box” proposto para alginato de sódio.

O principal fator que controla a formação de um gel é a quantidade de

resíduos G presentes no alginato de sódio e a quantidade de íons cálcio adicionados.

Assim, os alginatos de sódio são classificados ricos em resíduos G ou ricos em

resíduos M, dependendo da razão M/G. Comercialmente, os alginatos de sódio

produzidos a partir de algas Macrocystis pyrifera apresentam grande quantidade de

resíduos M e o gel produzido por esse tipo de alginato é flexível, enquanto aquele

obtido de algas Laminaria hyperborea, apresentam grande quantidade de resíduos G e

seu gel apresenta alto valor de tensão na ruptura e grande estabilidade térmica.

[8]

O alginato de sódio, além de ser hidrofílico, biocompatível e não tóxico

[27]

ter habilidade para formar gel e ser um agente emulsificante, estabilizante e

biodegradável, tem permitido numerosas aplicações nas indústrias de alimentos, de

bebidas, farmacêuticas

[28]

e biológicas. Particularmente, a propriedade bioadesiva do

alginato de sódio beneficia certos tipos de sistemas de liberação de fármaco em

mucosas. O termo bioadesão pode ser genericamente definido como adesão/contato

entre duas superfícies, com uma sendo um substrato biológico.

[29]

Com essas propriedades, alginato de sódio pode ser utilizado na produção

de papel

[18]

, como sistema de liberação de fármaco

[30, 31]

, como matriz para

crescimento de tecidos

[32]

ou células

[33, 34]

e DNA

[35]

, na agricultura na proteção do

solo contra insetos, fungos e bactérias

[36]

entre outras, além de bandagem para o

tratamento de lesões.

Capítulo 1 – Introdução 12

1.4. Pectina de frutas cítricas

1.4.1. Fonte

A pectina é um polissacarídeo estrutural, formada por um grupo complexo

de polissacarídeos que são encontrados na parede celular primária e nas camadas

intercelulares de plantas terrestres. Geralmente, encontra-se associada à celulose,

hemicelulose e lignina e são mais abundantes nos frutos, tais como as cascas de frutas

cítricas. Dessa maneira, tem sido consumida em quantidades significativas pelos seres

humanos.

[9]

Como uma das principais fontes de pectina, as frutas tropicais não têm sido

exploradas em grande escala por países produtores, como o Brasil. Um exemplo são os

milhares de toneladas de cascas de laranja, que são subproduto na indústria de suco. O

conteúdo de pectina em algumas frutas tropicais é listado na Tabela 2

[37]

Tabela 2 - Conteúdo de pectina em algumas frutas tropicais.

Fruta % m/m

Morango 0,6-0,7

Banana 0,7-1,2

Abacaxi 0,04-0,13

Carambola 0,66

Tamarindo 1,71

Casca de maracujá 2,1-3,0

Goiaba 0,77-0,99

Cascas de laranja 3,5-5,5

Capítulo 1 – Introdução 13

1.4.2. Método de isolamento, estrutura e obtenção de pectina de baixo grau de

esterificação

As propriedades da pectina dependem das condições climáticas ou outras

condições em que a planta esteve exposta. Além disso, outra variável é o pré-

tratamento da casca. Alem disso, os produtores de pectina podem misturar diferentes

lotes, e no caso de pectinas destinadas para indústria de alimentos são acrescentados

açúcares.

Em geral, a extração de pectina comercial é conduzida com solução tampão

com ou sem agentes complexantes em sua composição. A extração sob condições

ácidas ou básicas é aplicada para remoção da pectina mais firmemente ligada, seguida

do tratamento com cloreto de sódio para deslignificação. A pectina pode ser isolada

por precipitação na forma de sal de pectina ou com isopropanol ou etanol. Na sua

forma salina, a pectina é lavada com álcool acidificado para remoção do excesso de

íons.

[9]

A pectina é um complexo polissacarídeo heterogêneo e sua composição

assim como no alginato de sódio, varia com a fonte e as condições aplicadas durante

seu isolamento. O maior constituinte da seqüência linear é o ácido α-

D-galacturônico

unidos por ligações glicosídicas α(1→4)

[38]

(Figura 5).

Figura 5 - Resíduos de ácidos α-

D-galacturônicos da pectina.

Essa região de ácidos α-

D-galacturônico é interrompida por açúcares

neutros como a α-

L-ramnose ligadas a terminações redutoras de um resíduo de ácidos

α-

D-galacturônico por ligações (1→2) e nas terminações não-redutora do próximo

Capítulo 1 – Introdução 14

resíduo por ligações (1→4), sendo que partes destas unidades apresentam-se

esterificadas. As cadeias de resíduos galacturonato são interrompidas por unidades de

(1→2)- α-

L-ramnose, as quais estão ligadas cadeias laterais, formadas por açúcares

neutros. Essas cadeias laterais são responsáveis pela união das moléculas de pectina à

matriz polissacarídica da parede celular vegetal. Freqüentemente, cadeias laterais de

L-

arabionose e

D-galactose e D-xilose são ligadas nos resíduos de ramnose por ligações

(1→4)

[39]

(Figura 6).

Região de ácidos

-galacturônicos

Açúcares neutros

ligados a resíduos

-ramnoses

Figura 6 – Representação da estrutura química da pectina.

Comercialmente, a pectina é dividida em pectina de alto grau de

esterificação (GE) (ou alto grau de metoxilação) e pectina de baixo grau de

esterificação (ou baixo grau de metoxilação). O GE é definido como a porcentagem de

unidas galacturônicas que são metil-esterificadas. Pectina de alto grau de esterificação

contém GE maior ou igual a 50% e as de baixo grau de esterificação apresentam GE

abaixo de 50 %, que é um fator determinante para reatividade com íons cálcio.

A pectina de baixo grau de esterificação é obtida como um precursor da

pectina de alto GE isolada de cascas de maçã e frutas cítricas, através do controle do

processo de desesterificação, em meio heterogêneo na presença de álcool, com ácido

ou amônia. A desesterificação ácida dá origem a uma distribuição aleatória de grupos

galacturônicos esterificados.

[40]

Um outro método para desesterificação de pectina de

alto GE é utilizando enzimas, como a pectina metilesterase. Dependendo de sua

Capítulo 1 – Introdução 15

origem (microorganismos, plantas, etc), diferentes distribuições (aleatória ou em

blocos) dos grupos carboxilas resultantes são obtidas.

[41]

1.4.3. Propriedades e aplicação em geral de pectina.

Do ponto de vista reológico e viscosimétrico, as soluções diluídas de

pectina (0,5% m/v) apresentam comportamento Newtoniano, enquanto soluções mais

concentradas são pseudoplásticas. A partir de soluções diluídas é possível determinar a

viscosidade intrínseca [η] que representa o volume hidrodinâmico do polímero e

depende da massa molar, da rigidez das cadeias e da qualidade do solvente. A [η] de

soluções de pectina variam entre 1,0-6,0 dL/g que é influenciada pela força iônica do

meio.

[9]

Michel e colaboradores mostraram a diminuição na [η] da pectina com o

aumento da força iônica e o conteúdo de açúcares. Além disso, a desesterificação

provocou uma diminuição na [η].

[42, 43]

O estudo reológico de solução de pectina e gel de pectina é afetado por

fatores extrínsecos e intrínsecos. Fatores intrínsecos são: a massa molar, o conteúdo de

ramnose e o grau de esterificação. Exemplos de fatores extrínsecos são: a concentração

da pectina, a concentração de cálcio, o pH, a força iônica e a temperatura.

Durand e colaboradores

[44]

mediram o início da gelificação de pectina de

baixo GE, que foi definido com a intersecção do módulo de estoque (G´) e o módulo

de perda ou armazenamento (G´´). O valor de G´ no ponto gel foi independente das

condições de gelificação, temperatura e concentração da pectina.

A determinação precisa da massa molar da pectina é extremamente difícil,

devido sua heterogeneidade e a tendência das moléculas em solução se agregarem.

Freqüentemente, medidas de viscosidade são utilizadas para determinar sua massa

molar

[45-47]

. Entretanto outras técnicas podem ser empregadas como a cromatografia de

exclusão por tamanho, espalhamento de luz, ultracentrifugação e análise de grupo

terminal.

Capítulo 1 – Introdução 16

Dados de viscosimetria mostram que os valores de massa molar média

variam de 50.000 a 200.000 unidades. A massa molar média difere entre os métodos,

e freqüentemente agregados podem dificultar a interpretação. A determinação da

massa molar por espalhamento de luz, é muito sensível à presença de agregados e

massas moleculares de 1.000.000 ou mais pode ser obtidas.

[48]

A natureza heterogênea

da pectina faz com que seja necessário especificar a massa molar como massa molar

ponderal média (M

), massa molar numérica média (M

) ou massa molar

viscosimétrica média (M

A pectina é também um polieletrólito e apresenta carga negativa quando

dissolvida a pH neutro e carga próxima de zero, em valores baixos de pH. Pelo fato de

a pectina ser um ácido poliprótico, não é possível determinar o valor exato da

constante de dissociação, pK

. O valor do pK

da pectina encontra-se na faixa de 2,9-

3,3. Esses valores são tipicamente obtidos pela combinação de dados experimentais

com modelos teóricos.

[42, 43, 49]

Pode-se concluir que o valor do pK

da pectina é

dependente da concentração da pectina e do GE.

A gelificação da pectina depende do grau de esterificação, ou seja, para

pectina de alto grau de GE e para pectina de baixo GE, há pelo menos duas formas

para a formação do gel: a primeira requer valor de pH baixo e a presença de açúcares e

a segunda da presença de certos íons metálicos, como o cálcio. Na indústria

alimentícia, por exemplo, o gel de pectina utilizado na produção de geléias,

tipicamente contém açúcares, íons Ca

e meio ácido, e em geral, ambos os

mecanismos de gelificação contribuem; entretanto em alguns casos, um dos

mecanismos é preponderante sobre o outro. O grau de esterificação (GE) pode ser

determinado

[50]

por espectroscopia de ressonância magnética nuclear de próton.

Além disso, o valor do grau de esterificação de 50% que distingue as

pectinas, não deve ser tomado como um “número mágico” para o processo de

gelificação. Às vezes, pectina com GE um pouco abaixo de 50%, pode gelificar nas

condições de pectina com alto grau de esterificação.

[9]

Capítulo 1 – Introdução 17

A interação de cálcio com pectina de baixo GE, de acordo com a

interpretação de difração de raios-X, sugere que as cadeias estão alinhadas e

apresentam configuração na forma de hélices com três unidades ácidas galacturônicas

ao redor. Os íons cálcio são coordenados por três átomos de oxigênio em uma cadeia,

e dois átomos de oxigênio pertencente à outra cadeia, enquanto as posições

remanescentes na camada de coordenação com o cálcio são ocupadas por moléculas de

água.

[9]

O modelo “egg-box” proposto inicialmente para a seqüência dos resíduos G

do alginato de sódio foi adotado mais tarde para as seqüências galacturônicas, sem a

participação das unidades esterificadas, como observado na Figura 7. Na pectina, o

alinhamento das cadeias ocorre na forma de hélices com duas unidades galacturônicas

por cada ciclo (ou volta)

[9]

, com as hélices mantidas unidas pela coordenação com o

cálcio. A conformação dupla hélice não tem sido observada em difração de raios-X,

mas cálculos com programas de modelagem molecular indicam que ela existe. Dados

obtidos a partir de dicroísmo circular sugerem que a mudança de conformação

ocorreria quando o gel de pectina com cálcio ou pectina em solução é seco e assim

promoveria a transição entre a dupla hélice e a tripla hélice vista no estado sólido.

OCH

OHO

Figura 7 – Representação esquemática da interação do íon cálcio com as unidades

galacturônicas da pectina.

Como apresentado na Figura 4, apenas metade dos grupos carboxila de uma

cadeia participam na coordenação dos íons cálcio, tendo em vista que o modelo “egg-

Capítulo 1 – Introdução 18

box” é uma dimerização das cadeias, o restante dos cálcios interagem fracamente com

o lado oposto da mesma. Assim, a formação de sítios diméricos de interação com o

cálcio no interior da “caixa” (modelo egg-box) é muito forte, enquanto o cálcio fora da

“caixa” está mais fracamente ligado. Isso leva a conclusão que sítios de múltipla

interação das zonas diméricas são menos estáveis que os dímeros formados entre duas

cadeias com o cálcio.

[9]

A seqüência dos ácidos α-D-galacturônico da pectina são

praticamente imagem especular das regiões de ácidos α-

L-gulurônico no alginato de

sódio, isso significa que ambos apresentam interações com íons cálcio (Figura 8).

[26]

Essa habilidade de interagir com íons cálcio, tanto para alginato de sódio e pectina

pura, quanto em misturas AS/P resulta num fenômeno muito interessante e útil que é a

gelificação, tendo como conseqüência várias aplicações biológicas, alimentícias e

tecnológicas.

Figura 8 - Representação esquemática das cadeias de a) pectina e b) alginato de

sódio.

Muitos estudos físico-químicos têm sido realizados para a obtenção de

informações sobre o mecanismo e a característica estrutural envolvida no processo de

gelificação. Morris e colaboradores

[25]

no caso de alginato e Ravant e Rinaudo

[51]

para

a pectina mostraram que o íon cálcio induz a formação do modelo “egg-box”. Embora

Capítulo 1 – Introdução 19

esse modelo tenha sido comumente adotado, ele tem sido questionado várias vezes e é

ainda sujeito a discussão.

[26]

No caso do alginato de sódio a gelificação com cálcio ocorre devido aos

blocos dos ácidos gulurônicos, originando uma rede tridimensional. Essa rede

tridimensional depende da freqüência e do comprimento destes resíduos, bem como a

concentração de cálcio envolvido no processo.

[52]

Toft

[53]

preparou misturas de pectina de alto grau de esterificação com

alginato e observou que a gelificação ocorreu a baixo valor de pH sem a adição de

açúcar. Thom et al.

[54]

mostraram que a gelificação ocorre através da interação

específica e direta entre os dois polissacarídeos. Utilizando espectroscopia de

dicroísmo circular, observaram mudanças no espectro com a variação do valor de pH

de 7 (onde nenhuma interação ocorre) para pH 3, sendo o espectro da mistura muito

diferente daqueles dos polissacarídeos isolados.

Além da aplicação da pectina na indústria alimentícia, na produção de

geléias, como agente gelificante e estabilizante de frutas e bebidas lácteas,

ultimamente tem recebido grande atenção, devido aos benefícios a saúde humana,

como na presença em muitas fórmulas antidiarréicas (Kaopectate

). Como solução

coloidal, tem a propriedade de conjugar toxinas e de intensificar as funções

fisiológicas do tubo digestivo através de suas propriedades físico-químicas. Alguns

estudos mostraram efeitos no tratamento de úlcera gástrica, na redução da taxa de

colesterol sérico, na cicatrização de lesões intestinais, entre outras.

[9]

As aplicações como bandagem e sistema de liberação de fármaco serão

abordados mais adiante.

Capítulo 1 – Introdução 20

1.5. Blendas poliméricas

Modificação química não é a única maneira de alterar as propriedades de

um polímero. Em muitos casos, esta alteração pode ser realizada de uma forma bem

mais simples, mais efetiva e barata, misturando os polímeros com outros materiais. A

nova propriedade obtida dependerá da natureza e o estado físico do polímero original,

da forma de processamento da mistura, da faixa de composição dos polímeros e das

suas interações.

[55]

As blendas poliméricas podem apresentar várias vantagens em relação aos

seus componentes puros como: melhora nas características mecânicas; redução no

custo de obtenção de um novo material, quando comparado com a síntese de um novo

polímero; e melhoria no processamento dos polímeros misturados.

[56]

Alguns exemplos de interação entre cadeias poliméricas podem ser citados,

dentre eles: blendas de poli (vinil álcool) [PVA] e alginato

[57]

, poli (óxido etileno)

[PEO] e carbopol

[58]

entre outros.

Grandes esforços têm sido empregados como objetivo de encontrar novas

combinações miscíveis. Blendas miscíveis são homogêneas, portanto apresentam uma

única fase.

[59]

A interação molecular entre as cadeias poliméricas em uma blenda

miscível é predominantemente do tipo secundária (intermolecular) como van der

Waals, dipolo-dipolo e ligações de hidrogênio.

[60]

Os métodos mais utilizados para a obtenção de blendas poliméricas são: 1)

mistura mecânica, onde os polímeros são misturados à temperatura acima da sua

temperatura de transição vítrea (T

) ou temperatura de fusão (T

) e 2) solubilização dos

polímeros em um solvente comum ou mistura de solventes, com posterior

evaporação.

[55, 61]

Uma das formas mais simples utilizadas para caracterizar materiais obtidos

a partir da mistura de polímeros é a avaliação da transparência. De forma geral, as

blendas miscíveis formam filmes translúcidos e as blendas imiscíveis formam filmes

Capítulo 1 – Introdução 21

opacos. Porém, os filmes preparados a partir de polímeros imiscíveis podem gerar

filmes translúcidos quando os índices de refração dos polímeros puros forem iguais ou

muito próximos (diferença menor que 0,01). A transparência de um filme também

pode ser resultado das dimensões da fase dispersa da blenda serem menores que o

comprimento de onda da luz visível (0,1 mm).

[61]

Outros métodos como a avaliação das propriedades mecânicas e a variação

da temperatura de transição vítrea (T

) podem ser utilizados para classificar as blendas

poliméricas em miscíveis ou imiscíveis.

Assim, um dos critérios amplamente utilizados para avaliar a miscibilidade

entre polímeros é a existência de uma única T

, intermediária aquela observada nos

polímeros puros.

[61]

Medidas de DSC (Calorimetria Exploratória Diferencial) são

amplamente utilizadas para este fim.

A equação de Fox (Equação1) pode ser utilizada para estimar os valores

teóricos para os valores de Tg de blendas poliméricas.

[60]

[62]

TTT

(1)

Na Equação acima, T

, T

e T

denotam a T

(em Kelvin) da blenda e dos

polímeros 1 e 2, respectivamente enquanto w

e w

representam as frações mássicas

dos polímeros correspondentes.

[62]

Entretanto, a transição vítrea pode ser de difícil identificação por DSC

mesmo para polímeros sintéticos. Em polissacarídeos sua caracterização torna-se mais

difícil devido a quantidade de água adsorvida e, principalmente, ligada. O principal

evento térmico registrado em muitos casos em polissacarídeo é um largo pico

endotérmico. Alguns autores

[63-65]

têm relatado a existência de um pico endotérmico

acima de 100 ºC em experimento de DSC com biopolímeros.

Scandola e colaboradores

[65]

encontraram um pico centrado em 130ºC em

dextranas que foi atribuído a evaporação de água em curvas DSC, relacionado com a

Capítulo 1 – Introdução 22

diminuição de peso causado pela evaporação de água quando medidas

termogravimétricas na faixa da temperatura ambiente a 150 ºC são realizadas com

amostras de amilose e dextranas. Picos endotérmicos a cerca de 120-150 ºC atribuídos

à evaporação de água são também observados em amostras de madeira.

Outro fato observado referente à T

em curvas de DSC de uva, cebola e

morangos na faixa de -120 a 100 ºC foi a diminuição da temperatura de transição

vítrea com o aumento da quantidade de água de maneira similar a açúcares puro como

sucrose.

[64]

No entanto, Iijima e colaboradores

[63]

observaram a T

da pectina em

37ºC, a qual varia com a presença de água ligada e livre, e de acordo com o seu grau

de esterificação.

Estudos realizados por Miura e colaboradores

[57]

mostraram uma T

intermediária a observada para os componentes puros, alginato de sódio e poli (vinil

álcool) [PVA], indicando que a blenda alginato de sódio/PVA forma uma fase

termodinamicamente miscível.

Outros métodos muitos empregados para caracterizar as blendas

poliméricas são: a microscopia óptica, a microscopia eletrônica de varredura e

transmissão, a ressonância magnética nuclear, o espalhamento de luz e a

espectrometria no infravermelho.

1.6. Viscosimetria

A determinação da massa molar de um polímero é muito importante devido

sua influência em algumas propriedades como, por exemplo, a gelificação com íons

cálcio. Uma das técnicas para a determinação da massa molar é a viscosimetria além

de avaliar ainda a influência de diferentes solventes nas propriedades hidrodinâmicas

do alginato de sódio, da pectina e blendas AS/P caracterizados como polieletrólitos em

solução.

Assim, fluxo é definido como o deslocamento irrecuperável de moléculas

em relação às outras, sob a ação de uma tensão externa. Como exemplo, um fluido

Capítulo 1 – Introdução 23

escoando através de um tubo capilar.. Esse fluido é dividido arbitrariamente em

camadas concêntricas e que essas camadas que constituem o fluxo movem-se com

velocidades diferentes, com a velocidade no interior do tubo bem menor do que aquela

próxima à parede do tubo, devido ao atrito entre o fluido e a parede. Assim, durante o

escoamento, as moléculas que estão expostas a diferentes velocidades colidem entre si,

gerando uma troca de momento entre as camadas, causando uma fricção interna,

dificultando o escoamento. Essa resistência ao escoamento, causada pela fricção

interna é chamada viscosidade.

[62]

No estudo de soluções diluídas de polímeros é muito comum determinar-se

a viscosidade da solução em relação ao solvente puro. A relação entre a viscosidade da

solução e a do solvente puro é denominada viscosidade relativa. Para determinar o

valor desta viscosidade, o tempo de escoamento do solvente, t

e da solução t são

medidos no mesmo viscosímetro. Considerando que a densidade de soluções diluídas é

praticamente igual à do solvente puro, a viscosidade relativa pode ser definida como a

razão entre o tempo de escoamento da solução e do solvente puro. A viscosidade

específica é definida entre a diferença dos tempos de escoamento da solução e do

solvente puro (t-t

) e o tempo de escoamento do solvente puro, t

. Ambas são

adimensionais. A razão entre a viscosidade específica e a concentração da solução é

denominada viscosidade reduzida. Finalmente, a razão entre o logaritmo da

viscosidade relativa e a concentração é conhecida como viscosidade inerente.

[62]

Para determinar a viscosidade intrínseca é necessário determinar a

viscosidade reduzida ou a inerente a várias concentrações e extrapolar para a

concentração zero. A viscosidade intrínseca é independente da concentração da

solução. A viscosidade de um sistema polimérico depende de vários fatores como a

massa molar do polímero, temperatura e natureza do solvente. A viscosidade intrínseca

é relacionada à massa molar por meio da equação conhecida como equação de Mark-

Houwink (Equação2).

[] .

= (2)

Capítulo 1 – Introdução 24

Os valores de K e a são constante para um determinado par polímero-

solvente a uma determinada temperatura e relacionados com a rigidez da molécula.

Para pectina com estrutura tipo novelo aleatório com interações hidrodinâmicas, a

varia ente 0,5-0,8, enquanto moléculas tipo bastão rígido apresentam a maior que

0,8.

[62]

As medidas geralmente são realizadas com viscosímetro capilar.

[9]

Os valores K

e a podem ser determinados experimentalmente utilizando-se uma série homóloga de

polímeros monodispersos que diferem apenas na massa molar. As viscosidades

intrínsecas destes polímeros são determinadas e relacionadas a sua respectiva massa

molar, por meio da Equação 2.

As soluções de polieletrólitos apresentam comportamento especial para

estudo do efeito da forma da macromolécula na viscosidade das soluções diluídas,. As

moléculas destes polímeros sofrem variações consideráveis no seu volume

hidrodinâmico, dependendo do grau de dissociação. O poli (ácido acrílico) ou o poli

(ácido metacrílico) assumem volumes diferentes em função do pH do meio. Em

solução aquosa, os polímeros encontram-se fracamente dissociados e contêm um

pequeno número de cargas ao longo da cadeia. Quando uma pequena quantidade de

hidróxido de sódio ou potássio é adicionada a estas soluções, o poliácido reage

formando sais de sódio ou potássio, que se dissociam em soluções aquosas, liberando

os cátions o que gera um grande número de cargas negativas ao longo das cadeias.

Estas cargas se repelem e a repulsão eletrostática tende a alongar as cadeias. À medida

que se aumenta o pH do meio, o grau de dissociação aumenta e o novelo expande-se

cada vez mais, ocasionando um aumento sensível na viscosidade. Este aumento é

atribuído às interações intermoleculares entre os ânions de uma cadeia e os grupos

ácido não dissociados de outra cadeia.

[62]

A viscosidade de solução de polieletrólitos tem sido discutida há muitos

anos, especialmente seu comportamento correspondente à dependência da viscosidade

reduzida (η

red

) em função da concentração do polímero na ausência de sal ou em força

iônica baixa. O aumento da viscosidade reduzida durante a diluição de soluções de

polieletrólitos na ausência de sal tem sido atribuído à diminuição na proteção das

Capítulo 1 – Introdução 25

cargas pelo contra-íon e conseqüentemente a expansão da cadeia devido à repulsão

mútua.

[62]

O comportamento hidrodinâmico de pectina com alto e baixo GE foi

estudado por viscosimetria capilar e apresenta comportamentos diferentes em solução.

O valor da [η] da pectina de baixo GE é maior comparado com pectina de alto GE em

NaCl e LiCl na concentração de 0,005 e 0,05 mol.L

-1

, enquanto que pectina de alto

GE tem um valor de [η] maior na concentração de 0,2M. O efeito do tipo de sal sobre

o comportamento hidrodinâmico foi quase negligenciável. A queda da [η] de 519 e

563 mL/g em LiCl e NaCl 0,2 mol.L

-1

, respectivamente para 199 mL/g é resultado da

diminuição da agregação das cadeias para pectina de baixo GE. Nesse estudo os

autores concluem que as interações intermoleculares (ligação de hidrogênio) presentes

nos agregados de pectina de baixo GE são mais fortes devido ao grande número de

grupos carboxila em relação a pectina de alto GE.

[66]

A η

red

de pectina obtida de cascas de laranja por meio da extração em meio

ácido foi medida em solução aquosa e na presença de dextrose, maltose e dextrina.

Dextrose e maltose aumentaram a η

red

de soluções de pectina, causada pela formação

de agregados de moléculas de pectina devido à ligação hidrogênio. O comportamento

inverso observado com a dextrina pode estar relacionado à presença de impurezas

iônicas. O efeito da despolimerização do ácido L-ascórbico em soluções de pectina

mostrou uma diminuição na viscosidade e a mesma tendência foi observada com o

aumento da concentração de sal como NaCl, NaSO

e Na

[67]

No caso do alginato de sódio a viscosidade intrínseca diminui com o

aumento da força iônica (NaCl e KCl), devido a repulsão eletrostática intermolecular

entre as cadeias do polímero ser progressivamente protegida, reduzindo a dimensão

total da cadeia, sendo o efeito mais pronunciado em NaCl do que em KCl. A interação

entre cátions monovalentes e as cadeias de alginato de sódio depende das propriedades

dos íons e também da afinidade das cadeias em interagir com íons Na

ou K

[68]

Capítulo 1 – Introdução 26

Propriedades reológicas

Em compostos de natureza polimérica como os polissacarídeos, as

propriedades reológicas dependem da massa molar, da possibilidade de formação de

ligações de hidrogênio intermoleculares, da concentração, da temperatura em que são

realizadas as medidas, do pH, da força iônica entre outros fatores. A influência do

solvente (água ou solução salina na presença e ausência de agente complexante), no

estudo das propriedades reológicas dos polieletrólitos alginato de sódio e pectina são

necessários para o entendimento do comportamento nas blendas. A introdução de um

novo agente reticulante para esse sistema o EDC, permite avaliar as propriedades

reológicas que estão relacionadas principalmente com a estrutura do gel formado, as

interações entre as cadeias e a existência de ligações cruzadas.

Os experimentos de oscilação feitos em solução são ferramentas

importantes na determinação das modificações estruturais. No experimento de

oscilação o material está sujeito a uma força, podendo ser caracterizados materiais

como os géis

[69]

. Nos ensaios de oscilação considera-se que a deformação é a mesma

em todos os pontos da amostra, a inércia da amostra deve ser negligenciada e o

material deve ter o comportamento de uma substância viscoelástica em um domínio

linear, ou seja, onde as propriedades reológicas não são dependentes da tensão ou

deformação aplicadas.

[70]

O princípio desta técnica baseia-se na quantidade de material deformado

após a aplicação de uma tensão (σ). Em um experimento dinâmico mecânico, ao se

aplicar uma tensão (senoidal) em um material, a resposta do material e o ângulo de

fase (δ) (formado entre a deformação e a resposta do material) são medidos. Materiais

puramente elásticos têm um deslocamento de fase de 0º e materiais viscosos exibem

um deslocamento de fase de 90º.

Os parâmetros viscoelásticos obtidos do experimento de oscilação são o

módulo complexo G*, definido com a razão da tensão de cisalhamento complexa pela

deformação cisalhante; o módulo elástico G’ (armazenamento) em fase com a

Capítulo 1 – Introdução 27

deformação e representa o estoque de energia elástica; o módulo viscoso (G’’) que está

em fase com a taxa de deformação e representa a dissipação dessa energia e a tangente

de perda (tanδ) que é proporção entre G’’/G’.

Estudos reológicos mostram que soluções aquosas de CMC e alginato de

sódio exibem comportamento não-Newtoniano e pseudoplástico a diferentes

concentrações e temperatura. As blendas também apresentaram um desvio do

comportamento linear.

[71]

Kjoniksen e colaboradores

[72]

verificaram no estudo com soluções de

pectina no regime diluído e semidiluído que estas apresentam domínio da resposta

elástica (G’> G’’) em todas as concentrações do polímero (0,05; 0,1; 1,0; 1,5 % m/m)

induzida pelo cisalhamento oscilatório repetido periodicamente (cada 16 minutos) a

0,5-5 rad/s. O estudo ainda mostra que a formação de agregados é principalmente

estabilizada por ligações hidrogênio. Esse efeito é mais pronunciado a altas

concentrações de pectina e o aumento das interações intermoleculares foi inibida pela

adição de uréia.

As propriedades reológicas de vários polissacarídeos entre estes, pectina,

foram estudadas em diferentes concentrações e temperatura (20, 40, 60 e 80ºC).

Pectina apresenta um comportamento não-Newtoniano e pseudoplástico, que é mais

acentuado com o aumento da concentração do polímero.

[73]

A transição sol-gel para quatro amostras de alginato de sódio foi estudada

com a liberação de diferentes concentrações de cátions cálcio do Ca-EDTA através da

hidrólise de D-glucono-δ-lactona (GDL). Independente da quantidade de cálcio, os

módulos G´e G´´ mostraram dependência em relação à freqüência angular. Na

presença de baixas concentrações de íons cálcio G´´>G´, entretanto a altas

concentrações G´>G´´, indicando a formação de gel viscoelástico.

[74]

A natureza sinérgica entre alginato de sódio e pectina foi sistematicamente

investigada usando amostras de diferentes composições químicas. Pectina com alto e

baixo GE foi misturada com alginato de sódio com alta e baixa razão M/G. Um forte

Capítulo 1 – Introdução 28

efeito sinégico foi observado entre alginato com baixa razão M/G e pectina com alto

GE, apresentando alto valor de G´e rápida cinética de formação do gel, ao contrário

observado para géis formados a partir de alginato com alto razão M/G e pectina com

baixo GE.

[75]

Em outro estudo, gel da mistura de alginato de sódio e pectina (não

especificado as composições do polímeros) apresentou também valor do módulo G´

maior que G´´ em todo domínio de freqüência. Os autores concluíram que o gel

formado é de natureza fraca e estabilizado por ligações fracas como ligações de

hidrogênio.

[76]

As propriedades viscoelásticas de gel de pectina de baixo e alto GE foram

estudadas na presença de CaCl

e sucrose. Para pectina de alto GE contendo 30 e 60%

de sucrose, os valores de G´e G´´ não foram afetados pela adição de cálcio, entretanto

aumentando a concentração de 0,75% para 1,5% o valor de G´ passa de 1300 para

4300 Pa e o valor de G´´ de 70 para 300 Pa. No caso de pectina de baixo GE nas

mesmas condições e concentrações, o valor de G´foi 50 % e para o G´´ 30% em

relação à pectina de alto GE. No gel formado a partir da mistura das pectinas com 60%

de sucrose e CaCl

, um grande efeito sinérgico foi observado, com valores de G´ e G´´

altos em relação aos géis formados dos polímeros puros, devido às condições

favoráveis para ambas as pectinas. Na presença apenas de 60% de sucrose um fraco

sinergísmo foi observado e nenhum sinergismo na presença de 30% de sucrose e

CaCl

, devido as condições que favorecem apenas a formação de gel de pectina de

baixo GE.

[77]

A natureza sinérgica entre pectina e quitosana em solução e em gel foi

avaliada por reologia. A mistura pectina e quitosana formam géis termosensíveis em

um grande faixa de composição a baixas temperaturas. O valor da temperatura de

gelificação depende da composição da mistura, com baixos valores em misturas com

baixo conteúdo de pectina.

[78]

A formação de gel de pectina de baixo GE sob resfriamento e condições

ácidas na ausência de Ca

foi estudada. Após 60 minutos a 5ºC o valor do módulo de

G´aumenta, à medida que o valor do pH foi reduzido de 4 para 1,6, com formação do

Capítulo 1 – Introdução 29

gel a pH 3 (concentração do polímero 3% m/m). Para valores de pH maiores ou

menores que 3, foi observada histerese térmica atribuída a agregação das cadeias,

resultado da supressão das repulsões eletrostáticas (abaixo de pH 2,5) e formação de

ligações hidrogênio intermoleculares por grupos carboxílicos protonados (acima de pH

3,5).

[79]

1.7. Espalhamento de luz dinâmico (DLS)

Alguns parâmetros moleculares em solução de um polímero como a

polidispersidade, comportamento hidrodinâmico e mobilidade interna exercem forte

influência nas propriedades em solução. A formação de agregados muito comum em

polieletrólitos, em especial no caso de polissacarídeos como o alginato de sódio e

principalmente a pectina (material heterogêneo) em solução muitas vezes dificultam a

interpretação de resultados como a determinação da massa molar e dos parâmetros

hidrodinâmicos.

A técnica de espalhamento de luz é uma interação da radiação com

partículas em um meio através do qual a radiação é transmitida. Ao incidir na

partícula, parte da radiação é espalhada e a intensidade do espalhamento depende,

basicamente, do tamanho da partícula. Essa técnica baseia-se no princípio da

polarização das moléculas em solução através de um campo elétrico. A intensidade de

polarização da molécula depende do índice de refração do meio. O momento dipolar

induzido em fase com o campo elétrico, faz a molécula vibrar comportando-se como

um novo emissor de luz. A Figura 9 ilustra o esquema de um instrumento utilizado em

análises de polímeros por espalhamento de luz.

[62]

Capítulo 1 – Introdução 30

Figura 9 - Sistema ótico de um instrumento de espalhamento de luz, construído

para a observação a ângulos de 45, 90, 135 e 180º.

A direção entre a luz incidente e a luz espalhada define o plano de

espalhamento e o ângulo de espalhamento (θ). O volume de espalhamento é a região

no espaço, no interior da amostra, que é visível a ótica de detecção. O intervalo de

dimensão mensurável depende do comprimento de onda da radiação (λ) e de θ que

definem a amplitude do vetor de onda de espalhamento (q) (Equação 3), onde n é o

índice de refração do meio propagante, λ

é o comprimento de onda no vácuo da

radiação incidente.

(/2)qsen

(3)

Nos experimentos de espalhamento de luz dinâmico (DLS) considera-se as

flutuações na intensidade de luz espalhada em função do tempo, em uma dada direção,

pois estas flutuações refletem a dinâmica molecular do sistema. A taxa com que a

intensidade de luz espalhada flutua sobre o seu valor médio depende da taxa com que

os centros espalhadores se movem em solução. Se a luz incidente é coerente, a

intensidade de luz espalhada reflete o instantâneo arranjo aleatório dos centros

Capítulo 1 – Introdução 31

espalhadores. As flutuações aleatórias da intensidade de luz espalhada podem ser

caracterizadas por sua função de autocorrelação.

A função de autocorrelação homodina no tempo da intensidade (G

(2)

(t))

medida experimentalmente, está relacionada com a função de autocorrelação do

campo elétrico (G

(1)

(t)) por meio da relação de Siegert (Equação 4), onde B é a linha

de base e β é o fator de coerência espacial que depende da geometria de detecção e da

razão da intensidade espalhada pelo polímero e pelo solvente.

(2)

( ) (1 (1) ( ) )GtB G t

++ (4)

Para um conjunto de moléculas, G

(1)

(t) pode ser expressa por uma

distribuição contínua de decaimento (Equação 5), onde A(τ) e A(Γ) são as

funções distribuição do tempo de decaimento e da taxa de decaimento.

() ().exp.( /). ( ).exp.( .)Gt A t d A td

τττ

=−=Γ−ΓΓ

∫∫

(5)

A função de distribuição representa a intensidade relativa da luz espalhada

com diferentes constantes de decaimento que pode se considerada como resultado da

polidispersão ou da dinâmica de múltiplos modos e é uma função do número e

tamanho dos centros espalhadores. Para uma solução diluída de partículas esféricas e

monodispersas tendo uma difusão Browniana, a A(Γ) pode ser representada com uma

função delta, A(Γ)=δ(Γ - q

D), obtendo-se a Equação 6:

(1) 2

exp.( . . ) exp( / ) exp( . )GqDtt t

=− =−=Γ (6)

Na Equação 6 o coeficiente de difusão translacional, τ é o tempo de

decaimento (tempo de relaxação) e Γ é a taxa de decaimento (freqüência de relaxação).

Na determinação do coeficiente de difusão (D) translacional (Equação 7) é necessário

garantir que os resultados não contenham informações referentes a relaxações internas

(intramoleculares) da macromolécula, isto é, assegurar que q.L<1.

(/ )

→

=Γ (7)

Capítulo 1 – Introdução 32

O raio hidrodinâmico (R

) é determinado pela relação de Stocks-Einstein

(Equação 8):

(8)

Sendo

a constante de Boltzmann, T a temperatura do sistema, η a

viscosidade da solução.

[80]

Hiorth e colaboradores investigaram a dinâmica da mistura aquosa de

pectina e quitosana em diferentes proporções e também solução aquosa de pectina

através de espalhamento de luz dinâmico (DLS). As soluções da mistura

pectina/quitosana e pectina apresentam dois modos de relaxação, um rápido

geralmente associado a moléculas simples e pequenos agregados e outro lento

relacionado com grandes estruturas (agregados). Para as misturas, ambos os modos de

relaxação tornam-se gradualmente mais pronunciados com o aumento da quantidade

de pectina (maior crescimento e tamanho dos agregados). Apenas a mistura contendo

75% de pectina apresenta grande efeito sinérgico e ligações de hidrogênio são

responsáveis por esse efeito.

[81]

Medidas de DLS foram realizadas em soluções aquosas de pectina de baixo

GE a diferente temperatura e concentração. As funções de autocorrelação da

intensidade espalhada das soluções apresentam dois modos de relaxação: um rápido e

o outro lento. A redução da temperatura e o aumento da concentração da pectina

promoveram maior associação entre as cadeias do polímero com altos valores no

tempo de relaxação lento e forte dependência do vetor de onda no modo de relaxação

lento. A diminuição da temperatura (10ºC) promoveu a formação de gel estabilizado

por ligações hidrogênio intermoleculares, que são rompidas a alta temperatura. Neste

estado (gel) ocorre mudança no perfil da função do tempo de correlação.

[82]

Capítulo 1 – Introdução 33

1.8. Filmes e matrizes porosas de alginato de sódio e pectina

Dependo da aplicação o alginato de sódio e a pectina podem ser preparados

na forma de microesferas

[83]

, fibras

[84]

, tabletes

[85]

, hidrogéis

[86]

, e serão enfatizados

neste item filmes e matrizes porosas destes polissacarídeos.

De acordo com Andrade e colaboradores

[87]

, filme é definido como um

material cuja geometria é caracterizada por comprimento e largura relativamente

grandes em relação à espessura, a qual não é superior a 0,0254 cm (0,01 polegadas).

Fishman e colaboradores

[88]

prepararam blendas de pectina e poli (vinil

álcool) [PVA] na forma de filmes e os resultados de microscopia eletrônica de

varredura e óptica indicaram que a mistura é bifásica e compatível. Ensaios mecânicos

dos filmes de pectina indicam que a adição de PVA torna o filme dúctil. Quanto à

solubilidade em água, os filmes pectina/PVA são dependentes da temperatura e da

composição, sendo que a 30 e 40 ºC, filmes com 30% ou menos de PVA são solúveis e

a 70ºC todas as composições são solúveis, mas filmes contendo pectina são mais

solúveis em comparação com filmes de PVA. Assim concluiu-se que as propriedades

dos filmes pectina/PVA são dependentes da quantidade de cada componente na

mistura, ou seja, se o filme contém mais pectina, este apresentará propriedades

semelhantes aos filmes de pectina e vice-versa.

Macleod e colaboradores

[89]

estudaram as propriedades mecânicas e de

permeabilidade de filmes pectina/etilcelulose com aplicação em sistema de liberação

de fármacos no trato gastro-intestinal superior. Aumentando a quantidade de pectina

nos filmes, a razão resistência à tração/módulo de elasticidade e a elongação na

ruptura, diminuem, ou seja, os filmes tornaram-se mais rígidos e quebradiços.

Entretanto, a adição de pectina nos filmes não afeta a permeabilidade da etilcelulose.

Os resultados mostraram que devido às propriedades mecânicas, há uma quantidade

limite de pectina que pode ser utilizada para esse objetivo.

Rhim

[90]

modificou as propriedades de filmes de alginato de sódio usando

dois métodos de tratamento com CaCl

: imersão direta do filme em uma solução de

Capítulo 1 – Introdução 34

cloreto de cálcio e adição de uma quantidade do sal na solução de alginato de sódio.

Neste último, não foram observadas alterações significativas nas propriedades

mecânicas, permeabilidade ao vapor de água e solubilidade em água. Ao contrário, os

filmes preparados por imersão apresentaram aumento na resistência à tração,

diminuição no valor de elongação na ruptura, diminuição da permeabilidade e

solubilidade em água. Esse contraste se deve a diferenças no processo de reticulação

dos filmes, ou seja, com adição do sal na solução, a reticulação é instantânea, assim o

processo não é homogêneo, ao contrário do método de imersão que apresenta uma

reticulação homogênea.

As matrizes porosas são estruturas tridimensionais que apresentam canais

distribuídos em sua estrutura. A preparação de matrizes porosas pode ser feita por

diferentes metodologias, sendo que, em sistemas de polímeros solúveis em água a

técnica de liofilização é bastante empregada. O sistema a ser liofilizado contém duas

fases: uma com o solvente congelado e a outra de polímero concentrado, a liofilização

é empregada para remoção do solvente congelado, resultando na retenção da estrutura

porosa. Sem a liofilização, um aumento da temperatura poderia causar a mistura ou

fusão das fases separadas, conseqüentemente destruindo a estrutura porosa.

Shapiro e colaboradores

[91]

prepararam matrizes porosas com alginato de

diferentes razão ácido manurônico/gulurônico em três etapas: reticulação da solução

de alginato de sódio com diferentes agentes reticulantes e concentrações,

congelamento da solução reticulada a -196ºC (nitrogênio líquido) e -20ºC (freezer) e

liofilização da solução congelada. Observaram que o tipo de alginato, a concentração e

o tipo de reticulante, e a temperatura envolvida no congelamento alteram as estruturas

das matrizes.

Zmora e colaboradores

[92]

investigaram o efeito da temperatura de

congelamento (-20, -35 e –196 ºC) sobre os poros de matrizes de alginato. Quando as

matrizes foram congeladas a –20ºC foram obtidos poros esféricos e interconectados, já

nas temperaturas de –35 e –196 ºC, a região em contato com o meio de congelamento

Capítulo 1 – Introdução 35

apresenta poros esféricos e a outra interface com poros alongados. Os diferentes

formatos dos poros afetam as propriedades mecânicas da matriz.

1.9. Agentes reticulantes

A aplicação na área de biomateriais, farmacêutica, na indústria alimentícia

como proteção ou embalagens para alimentos, em especial neste estudo como matriz

para liberação de fármaco e bandagem é necessário que pectina e suas blendas com

alginato de sódio sejam parcialmente insolúveis e em alguns casos insolúveis em meio

aquoso, alem de modificar outras propriedades como mecânicas, intumescimento entre

outras.

A reticulação ou formação de ligações cruzadas entre as cadeias dos

polímeros resulta a formação de uma rede tridimensional. A reticulação de polímeros

pode ser realizada por via térmica, por polimerização fotoiniciada (irradiação via

irradiação UV) que utiliza agentes reticulantes capazes de formar ligações cruzadas,

quando expostos a irradiação

[93-95]

e adição de compostos químicos que participam ou

não das ligações cruzadas formadoras da rede tridimensional. Entre os agentes

reticulantes de alginato de sódio e pectina, destacam-se o formaldeído, o glutaraldeído,

o hidrocloreto de 1-etil-3-(3-dimetilamino propil) carbodiimida também conhecido

como EDC, além da interação com os cátions Ca

Como alternativa, para diminuir a solubilidade dos filmes de

polissacarídeos solúveis em água, a interação de alginato de sódio com íons cálcio do

CaCl

tem sido bastante usada em muitas aplicações, como a imobilização de células

vivas e proteínas tais como os peptídeos e em sistema de liberação de fármacos.

[96-98]

Os filmes de alginato de sódio reticulados por imersão em diferentes concentrações de

solução aquosa de CaCl

, mostram-se insolúveis em água, mas permeáveis a vapores

de água.

[99]

Recentemente, Yeom e Lee

[100]

reticularam membranas de alginato de

sódio com glutaraldeído usando HCl como catalisador em solução de acetona. O

processo de reticulação reduziu a solubilidade em água. Outro reticulante, o

formaldeído tem sido largamente empregado para induzir modificações em proteínas e

Capítulo 1 – Introdução 36

polissacarídeos. Exemplos incluem a formação de pontes estáveis de metileno em

modelos de peptídeos;

[101]

reticulação de colágeno

[102]

e proteína de semente de

algodão

[103, 104]

; efeito sobre as propriedades mecânicas, permeabilidade de vapor de

água e solubilidade de glúten

[105]

, gliadina

[106, 107]

, filmes de proteína isolada de soja

[108,

109]

; e modificações em filmes de gelatina

[110]

O EDC é um agente reticulante bastante utilizado na modificação de

proteínas

[111]

e também de polissacarídeos com o ácido hialurônico

[112]

e no caso das

proteínas largamente usado na reticulação de colágeno e gelatina

[113]

. Além de ser um

agente reticulante não tóxico

[114]

, o EDC induz a formação da ligação éster entre

grupos hidroxila e carboxila sem permanecer como parte da estrutura

[16, 115]

Membranas de alginato de sódio foram preparadas pelo método de imersão

das membranas em diferentes concentrações de etanol (100mM de EDC e pH 4) e

diferentes concentrações de EDC (60% v/v de etanol, pH 4). Medidas de DSC

mostraram que a cristalinidades das membranas aumentaram e também se mantiveram

insolúveis em água por 32 dias.

[116]

A influência das condições de preparação de filmes de alginato de

sódio/carragenana reticulados por imersão foi investigada. Os melhores filmes são os

que contêm 20% (m/m) de carragenana e reticulados em um solução contendo 60%

(v/v) de etanol, 120 mM de EDC a pH 4.

[117]

1.10. Bandagem para lesão e liberação controlada de fármaco

A função primária da pele é proteger o corpo contra a entrada de

microorganismos patogênicos que possam causar a colonização ou infecção. Qualquer

interrupção na continuidade da pele representa uma lesão. As lesões podem variar em

espessura, pois algumas lesam a pele apenas superficialmente e outras podem até

atingir tecidos profundos. O tratamento de uma lesão e sua assepsia cuidadosa tem

como objetivo evitar ou diminuir os riscos de complicações decorrentes, bem como

facilitar o processo de cicatrização. A preocupação com as bandagens para lesões é

Capítulo 1 – Introdução 37

antiga e vários agentes podem ser utilizados, no entanto é fundamental uma análise

detalhada da lesão para a escolha da bandagem adequada.

Historicamente, o tratamento de lesões envolve a aplicação de simples

bandagens a base de algodão, tais como as chamadas gazes. Entretanto, nos últimos 30

anos o tratamento de lesões caminhava para a produção de bandagens que mimetizam

as propriedades da pele, como sua permeabilidade e conteúdo de água.

Características como a manutenção da umidade na interface

lesão/bandagem, remoção do excesso de exsudato, troca gasosa, isolamento térmico,

proteção contra infecção, ausência de partículas e contaminantes e a remoção sem

causar traumas, são importantes para manter o ambiente propício para a reparação do

tecido.

[11]

Além destas, também a disponibilidade, flexibilidade, facilidade de manuseio

e principalmente custo-eficácia, são fundamentais.

Os efeitos benéficos do meio úmido incluem a prevenção de desidratação

do tecido e morte celular, desbridamento autolítico, pois estes retêm as enzimas e água

que ajudam na fibrinólise, e redução da dor, atribuída à proteção que o meio úmido

fornece as terminações nervosas contra o ressecamento e a exposição. Essas bandagens

mantêm as células viáveis e permitem que estas liberem fatores de crescimento,

estimulando sua proliferação. Estudos recentes demonstraram que a reepitelização em

lesões em meio úmido é mais rápida do que as que permanecem em meio seco.

[118]

As bandagens podem ser classificadas em geral como:

• Primárias: aquelas colocadas em contato direto com o leito da lesão e

tem como função absorver, controlar colonização, preservar umidade

adequada e proteger tecido neoformado;

• Secundárias: colocadas sobre a bandagem primária para absorver o

excesso de drenagem, comprimir e promover barreira protetora;

• Única: engloba as propriedades da primária e secundária em uma

única bandagem.

Capítulo 1 – Introdução 38

As fibras têm sido muito utilizadas em aplicações como bandagens devido a

suas propriedades como, maciez, absorção e facilidade na fabricação de produtos com

diferentes formas. As fibras de fontes naturais, especialmente polissacarídeos, têm sido

consideradas as mais promissoras, devido a excelente biocompatibilidade e não-

toxicidade. Vários tipos de bandagens têm sido produzidos com polímeros naturais e

seus derivados.

[119]

Entre os vários polissacarídeos para esse objetivo, o alginato é comumente

utilizado como bandagem, desde que oferecem muitas vantagens sobre as tradicionais,

feitas com algodão. Comercialmente, bandagens de alginato incluem: Kaltocarb

Algisite M

, Kaltogel

, Kaltostat

, Melgisorb

, Seasorb

, Sorbsan

conseqüentemente existem várias patentes detalhando a produção de fibras de alginato

para aplicação em bandagens.

[119]

Ensaios com Kaltostat

, uma bandagem hemostática para lesões na pele,

foram autorizados para o uso como bandagem para tecidos moles. Estudos recentes

com alginato de cálcio em tecidos animais concluíram que o alginato é bem aceito e

que o material é absorvido, depois de determinado tempo. Esse estudo revela que o

alginato de cálcio rapidamente libera íons cálcio em troca com íons sódio em contato

com o sangue, estimulando a ativação de plaquetas e a coagulação sangüínea.

[120]

Essa

troca iônica desencadeia uma reação que transforma o alginato em um gel compacto,

proporcionando um ambiente úmido e aquecido, ideal para o processo de cicatrização,

permitindo também as trocas sem traumas para o tecido neoformado.

As fibras de alginato conseguem absorver até 20 vezes seu peso em fluidos,

ao passo que uma gaze comum tem capacidade de absorver apenas 3 a 4 vezes seu

peso. Essas bandagens, por manterem um ambiente úmido no leito da lesão, auxiliam o

desbridamento autolítico, entretanto não são utilizadas para controlar hemorragias. São

indicadas para lesões com grande quantidade de exsudato, contudo não é recomendado

seu uso em lesões secas ou com pouco exsudato, devido à alta capacidade de absorção

da bandagem, podendo haver uma aderência das fibras ao leito da lesão, tornando

difícil sua remoção.

[121]

Capítulo 1 – Introdução 39

Choi e colaboradores

[114]

prepararam matriz porosa de gelatina/alginato em

diferentes proporções e reticuladas com EDC. A porosidade aumentou com a

quantidade de alginato. O teste de absorção de água, biodegradação, liberação de

fármaco in vitro e teste in vivo em animais confirmam a aplicabilidade deste sistema

como bandagens para lesões.

Gilchrist e Martin

[27]

estudaram o efeito de uma bandagem de alginato

comercial, Sorbsan

, no tratamento de úlceras diabéticas e concluíram que a

bandagem é altamente absorvente, biodegradável e pode ser aplicada com sucesso em

uma variedade de lesões.

Atualmente, não é encontrado nenhum sistema contendo alginato e pectina

ou apenas pectina como bandagem para lesões em geral e ao mesmo tempo como

sistema de liberação controlada de fármaco.

Segundo Dun

[122]

, sistemas de liberação controlada de fármacos são

idealmente, dispositivos que disseminam um fármaco, quando, e onde, ele é

necessário, e num nível de concentração adequado para gerar o efeito esperado.

Os sistemas de liberação oferecem inúmeras vantagens quando comparados

a outros sistemas de dosagem convencional que liberam o agente ativo em curto

período de tempo. As principais vantagens são:

• Manutenção de níveis constantes da substância no organismo,

implicando em uma eficiência maior na utilização do agente, ou seja,

é necessária menor quantidade de fármaco para produzir o mesmo

efeito que os sistemas convencionais;

• Aplicação do agente diretamente no sítio de ação, produzindo altas

concentrações localizadas e evitando efeitos colaterais sistêmicos;

• Menor freqüência de administração do agente ativo, aumentando o

conforto do paciente e eficácia do tratamento;

Capítulo 1 – Introdução 40

• Proteção do fármaco contra eventual degradação no fluído biológico

(por exemplo, no estômago, fígado);

• Redução de custos devido à redução da quantidade de fármaco

empregado.

[123, 124]

A Figura 10 ilustra a comparação entre o método convencional e o sistema

de liberação controlada de fármacos.

Figura 10 – Comparação esquemática das variações de concentração de um

fármaco administrado por métodos convencionais (a) e sistema de liberação

controlada (b) sendo A=administração do fármaco.

Na Figura 10, o primeiro caso (a) está longe do ideal, proporcionando

variações consideráveis da concentração do fármaco no plasma sangüíneo, podendo

não haver efeito farmacológico ou até provocar intoxicação, pois há uma faixa de

concentração efetiva para a ação no organismo. Já o método de liberação controlada

proporciona uma pequena variação na concentração do fármaco com o tempo,

impossibilitando a não eficácia do fármaco ou mesmo a toxicidade.

Um dos métodos mais simples de obter um sistema de liberação controlada

de um agente ativo é misturá-lo fisicamente com um polímero. Devido a essa

Capítulo 1 – Introdução 41

imobilização ou incorporação do fármaco no polímero, sua disponibilidade para o

sistema biológico diminui em relação ao seu estado livre. Para que ocorra liberação

desse fármaco é necessário que o polímero ou o fármaco se dissolvam, ou que o

princípio ativo possa difundir através da matriz. Em ambos os casos, a liberação do

fármaco para o meio externo ocorre num período de tempo maior quando comparado

ao uso do fármaco livre.

[122]

Comercialmente, os sistemas de liberação controlada de fármaco podem

apresentar-se de diversas maneiras como, por exemplo, comprimidos ou microesferas

para ingestão oral, filmes, cremes, pomadas, géis, nanoesferas que possam ser

injetadas, soluções e suspensões para uso oftalmológico, matriz porosas para implantes

e bandagens.

Choi e colaboradores

[114]

preparam matrizes porosas de alginato/gelatina em

diferentes concentrações, obtidas por liofilização e utilizadas como suporte para

liberação de dois antibióticos: um hidrofóbico e o outro hidrofílico. Certa quantidade

de cada antibiótico foi injetada sobre pedaços de matrizes com tamanho definido e os

ensaios realizados em tampão fosfato pH 7,4 a 37ºC. A liberação foi lenta comparada

com uma matriz comercial preparada apenas com gelatina. Concluíram que no caso de

materiais contendo poros, a interação fármaco-matriz afeta o comportamento de

liberação.

Outro exemplo de liberação controlada de fármaco é o trabalho realizado

por Al-Musa e colaboradores

[125]

, que estudou a influência da técnica de reticulação,

tipo e concentração do agente reticulante dos filmes de alginato de sódio. As

propriedades físico-químicas dos fármacos, especialmente sua solubilidade, meio de

liberação (água ou meio ácido), concentração e quantidade de fármaco na matriz, sobre

o comportamento de liberação também foi avaliada.

A proposta de outro estudo, realizado por Holte e colaboradores

[85]

, foi

avaliar o efeito da quantidade e do tipo de alginato sobre a liberação de ácido acetil-

salicílico por tabletes de alginato. Os experimentos de liberação foram realizados a

37ºC em 0,1 mol.L

-1

de HCl por 2 horas e em seguida tampão fosfato a pH 6,8.

Capítulo 1 – Introdução 42

Observaram que o tipo de alginato não influenciou na liberação do fármaco, entretanto

quanto maior a quantidade de alginato (100 ou 200 mg) nos tabletes, mais lenta é a

liberação, comparada com tabletes contendo 50 mg.

O estudo da liberação de tabletes contendo paracetamol cobertos com

pectina ou pectina/quitosana foi realizado por Fernandez-Hervas e colaboradores

[126]

onde observaram que a liberação de paracetamol dos tabletes cobertos com pectina foi

mais rápida do que aqueles cobertos com a mistura.

CAPÍTULO 2

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo geral

O presente estudo tem como objetivo avaliar a viabilidade da substituição

total ou parcial do alginato de sódio pela pectina de frutas cítricas na preparação de

filmes e matrizes porosas com aplicação em sistema de liberação controlada de

fármaco e ao mesmo tempo como bandagem para lesões e/ou queimaduras. Assim,

especial atenção será dado as propriedades físico-químicas das soluções e dos filmes e

matrizes porosas dos polissacarídeos puros e das blendas alginato de sódio /pectina. O

estudo das propriedades físico-químicas das soluções e dos filmes e matrizes porosas

podem fornecer informações valiosas ao entendimento das características desses

sistemas e suas possíveis aplicações.

2.2. Objetivos específicos

Determinação da massa molar dos polissacarídeos e avaliar o efeito da

água, da solução salina (NaCl) e temperatura de preparação da solução sobre o volume

hidrodinâmico das soluções de alginato de sódio, pectina e blendas. O volume

hidrodinâmico em soluções de alginato de sódio em KCl foram também avaliadas;

Avaliar o efeito da concentração e do tipo de sal, da adição e concentração

do agente complexante (NaEDTA), da temperatura de preparação das soluções sobre o

raio hidrodinâmico (R

) dos agregados;

Investigar a influência da concentração polimérica e da composição das

blendas sobre o comportamento reológico das soluções dos polissacarídeos puros;

Capítulo 2 – Objetivos 44

Avaliar o efeito da concentração polimérica, do sal (NaCl) na ausência e na

presença do agente complexante NaEDTA e a adição do agente reticulante EDC nas

propriedades reológicas;

Determinar ponto gel das soluções poliméricas na presença do EDC e

avaliar o efeito da composição das blendas na determinação do mesmo;

Avaliar as propriedades dos polissacarídeos puros e das blendas dos

polissacarídeos: alginato de sódio e pectina em filmes e matrizes porosas;

Investigar o efeito plastificante da água nas propriedades mecânicas de

filmes não reticulados expostos a diferentes umidades relativas (UR);

Avaliar o efeito da reticulação com o CaCl

ou EDC sobre os filmes e as

matrizes;

Investigar o efeito dos agentes: plastificante (sorbitol) e reticulante

(formaldeído) nos filmes de alginato de sódio;

Avaliar a influência do tipo de agente reticulante e a composição das

matrizes na cinética de liberação do paracetamol.

CAPÍTULO 3

3. PARTE EXPERIMENTAL

3.1. Materiais

O alginato de sódio (AS) isolado de algas marrons Macrocystis pyrifera e

pectina de frutas cítricas (P) (Sigma Aldrich Co., St. Louis, USA) foram previamente

purificados. As soluções de alginato de sódio e pectina na concentração de 2g/L foram

preparadas em água deionizada, sob agitação constante por um período de 24h. Após

esse período, as soluções foram centrifugadas a 7000 rpm por 3h, filtradas através de

filtros Millipore de porosidades 8,0 e 0,8 µm, precipitados em etanol 70% (v/v) e secos

à temperatura ambiente. Os reagentes cloreto de potássio (KCl),

etilenodiaminotetraacetato dissódico (NaEDTA), trietilieno tetra-amino hexacetato de

sódio (TTHA), hidrocloreto de 1-etil-3-(3-dimetilamino propil) carbodiimida (EDC),

azoteto de sódio (NaN

), hidrogenofosfato de sódio heptahidratado (Na

HPO

.7H

O) e

di-hidrogeno fosfato de potássio (KH

) obtidos da Sigma Aldrich Co.,St. Louis,

USA. Sorbitol, formaldeído, etanol e metanol (Nuclear) foram utilizados sem qualquer

purificação.

Carbonato de potássio (K

) e cloreto de sódio (NaCl) (Sigma Aldrich

Co.,St. Louis, USA) foram utilizados na preparação das soluções saturadas para

controle das umidades relativas (UR) em 43 e 75%, respectivamente.

A solução tamponada pH 7,4 foi preparada com a adição de 0,4g de NaCl,

0,1g de KCl, 0,72 g de Na

HPO

.7H

O e 0,12g de KH

em 500 mL de água

deionizada. O fármaco-modelo, paracetamol (p-hidroxi-acetanilida) foi adquirido da

empresa Synth.

Capítulo 3 – Parte experimental 46

3.2. Determinação da razão das unidades M e G no alginato de sódio

A proporção entre ácidos manurônicos e gulurônicos (M/G) do alginato de

sódio foi determinada pelo método desenvolvido por Filippov e Kohn

[127]

considerando-se a razão entre a absorbância no infravermelho do grupo manurônico

(1125 cm

-1

) e do grupo gulurônico (1030 cm

-1

), característicos desses ácido urônicos.

A razão M

1125

1030

, sendo M

1125

corresponde a intensidade da banda em 1125 cm

-1

relacionada a deformação C-O e G

1030

a intensidade da banda em 1030 cm

-1

relacionada a deformação C-O-C, através da deconvolução das bandas no espectro de

infravermelho. O espectro de infravermelho foi obtido a partir de pastilhas de KBr em

um equipamento ABB Bomem Inc., modelo FTLA 2000, com resolução de 4 cm

-1

, na

faixa de 4000-400 cm

-1

3.3. Determinação do grau de esterificação (GE) da pectina

O experimento foi realizado de acordo com o método descrito por

Grasdalen e colaboradores

[50]

. A pectina foi dissolvida em D

O a pH 5 e colocada em

um tubo Young de 5mm de espessura na concentração de 20mg/mL. Para evitar a

interação de cátions divalentes com a pectina foi adicionado trietilieno tetra-amino

hexacetato de sódio (TTHA) (25mg/mL) na solução de pectina. O espectro foi obtido

de um espectrômetro de RMN-H

Bruker WM-400 (400MHz), do Laboratório de

Química de Polímeros Orgânicos (LCPO) da Universidade Bordeaux 1, e para reduzir

o pico de HDO uma seqüência de pulso de 180°-t-90° (t∼2-3s) foi empregado. As

medidas foi realizada a 90ºC para deslocar o pico de HDO, diminuir a viscosidade e

aumentar a resolução do espectro.

A determinação quantitativa do GE foi relacionada com as intensidades (I)

das regiões A e B de acordo com a Equação 9:

(%) 100

−

=×

(9)

Capítulo 3 – Parte experimental 47

Onde B refere-se aos picos do H-5 das unidades galacturônicas não

esterificadas e A aos picos das unidades galacturônicas esterificadas do H-1 e H-5.

3.4. Viscosimetria

As medidas de viscosimetria foram realizadas no Laboratório de Química

de Polímeros Orgânico (LCPO) da Universidade Bordeaux 1. A massa molar

viscosimétrica média do alginato de sódio e da pectina foi determinada através da

equação de Mark-Houwink (Equação 2) que relaciona a viscosidade intrínseca [η]

com a massa molar. A viscosidade intrínseca foi obtida das soluções de alginato de

sódio e pectina em solução aquosa de NaCl 0,1 mol.L

-1

. Determinada quantidade de

cada solução (15mL) foi filtrada através de filtros Millipore de porosidade 0,45 e 0,22

µm e adicionadas a um capilar viscosímetro Ubbelohde. As medidas de viscosidade

das soluções de polissacarídeos na faixa de concentração entre 1×10

-5

- 2×10

-3

g/mL, a

partir da diluição da solução preparada a 2×10

-3

g/mL e foram realizadas em um banho

termostatizado Schott CT 52 a 25,0±0,2°C usando um sistema de diluição automático

Schott AVS 360. As soluções foram diluídas automaticamente depois da geração de

valores de viscosidade em triplicatas aceitáveis a cada concentração. Subseqüentes

diluições foram realizadas até um volume final de 75mL. As constantes K e a para os

dois polissacarídeos foram obtidas da literatura

[128, 129]

O efeito do sal, do agente complexante (NaEDTA) e da temperatura sobre o

volume hidrodinâmico das soluções polissacarídicas foram estudados através da

viscosimetria. As soluções de pectina (2x10

-3

g/mL) foram preparadas em água

deionizada e em solução aquosa de NaCl 0,1 mol.L

-1

com ou sem adição de agente

complexante NaEDTA na concentração de 1 mmol.L

-1

e mantidas sob agitação

magnética constante por 24h a temperatura ambiente. As soluções de alginato de sódio

(2×10

-3

g/mL) também foram preparadas em água deionizada e em solução aquosa de

NaCl 0,1M mantidas sob agitação magnética por 24h a temperatura ambiente e em

solução aquosa de KCl 0,1M a temperatura ambiente e a 80ºC.

Capítulo 3 – Parte experimental 48

A mistura alginato de sódio, pectina e solvente (sistema ternário) foi

preparado a partir de soluções estoque de alginato de sódio e pectina (2×10

-3

g/mL) em

0,1 mol.L

-1

de NaCl preparadas sob agitação constante por 24 h a temperatura

ambiente. Combinando-se diferentes quantidades das soluções estoques foram

preparadas soluções nas seguintes proporções AS/P: 30/70, 50/50 e 70/30 (v/v), o

sistema ternário foi mantido sob agitação por 24h a temperatura ambiente. Os valores

de pH das soluções poliméricas na concentração de 2×10

-3

g/mL são apresentados na

Tabela 3 abaixo.

Tabela 3 - Valores de pH das soluções poliméricas (2×10

-3

g/mL) a 25,0±0,2ºC.

Sistema AS AS/P 70/30 AS/P 50/50 AS/P 30/70 P

Água 6,42 5,27 4,28 4,12 3,41

NaCl 0,1

mol.L

-1

6,38 5,23 4,24 4,09 3,40

KCl 0,1

mol.L

-1

6,45 5,28 4,30 4,15 3,43

As medidas de viscosidade de 15 mL de cada solução filtradas em

membranas Millipore de porosidade 0,22 µm foram realizadas em um viscosímetro

Ubbelohde termostatizado em um banho Schott CT 52 a 25,0 ±0,2°C. A concentração

das soluções de polissacarídeos variaram entre 1x10

-5

- 2x10

-3

g/mL usando um sistema

de diluição automático Schott AVS 360. As soluções foram diluídas automaticamente

depois da geração de valores de viscosidade em triplicatas aceitáveis a cada

concentração. Subseqüentes diluições foram realizadas até um volume final de 75mL.

3.5. Espalhamento de luz dinâmico (DLS)

As soluções de alginato de sódio e pectina na concentração de 2×10

-3

g/mL

foram preparadas em NaCl e KCl 0,1 mol.L

-1

, com ou sem a adição do agente

complexante NaEDTA nas concentrações de 1, 2 e 5 mmol.L

-1

e mantidas sob agitação

por 24h em duas diferentes temperaturas: ambiente e a 80 ºC.

Capítulo 3 – Parte experimental 49

A mesma concentração polimérica foram preparadas em NaCl 0,5 mol.L

-1

mantidas sob agitação por 24h a temperatura ambiente e a 80ºC, com ou sem a adição

de NaEDTA (1, 2 e 5 mmol.L

-1

), neste último caso as soluções foram mantidas por

24h sob agitação apenas a temperatura ambiente.

O sistema ternário foi preparado a partir da solução estoque de alginato de

sódio e pectina na concentração de 2×10

-3

g/mL em NaCl e KCl 0,1 mol.L

-1

preparadas sob agitação por 24 h a temperatura ambiente. Combinando-se diferentes

quantidades das soluções estoques foram preparadas soluções nas seguintes

proporções AS/P: 30/70, 50/50 e 70/30 (v/v) e o sistema ternário foi mantido sob

agitação por 24h a temperatura ambiente e a 80 ºC.

As soluções foram filtradas utilizando filtros de porosidades de 0,22 e 0,45

µm diretamente em tubos de vidro próprios para estudos de DLS e em todas as

soluções foram adicionados NaN

(0,02 % m/v) para evitar o crescimento de

microorganismos.

As medidas de espalhamento de luz foram realizadas a temperatura de

25,0±0,1 ºC usando um aparelho ALV (Langen, Germany) do Laboratório de Química

de Polímeros Orgânicos (LCPO) da Universidade Bordeaux 1, equipado com uma

mesa goniométrica automática e um controlador da temperatura da amostra a 25,0±0,1

ºC. Os experimentos de espalhamento de luz dinâmico (DLS) foram realizados a

diferentes ângulos entre 60º a 140º.

Nos experimentos de DLS a função de autocorrelação homodina no tempo

da intensidade de luz espalhada, foi obtida utilizando-se o autocorrelador ALV-5000

da ALV (Langen, Germany). A função de autocorrelação do campo elétrico foi

analisada pelo método CONTIN desenvolvido por Provencher, que utiliza a

transformada de Laplace inversa da G

(1)

(t) para obter a distribuição dos tempos de

decaimento A (τ) e correspondentes amplitudes relativas, sem limitação do número de

modos. Este método é rotineiramente usado para analisar os dados de DLS de sistemas

poliméricos e permite a determinação dos modos de relaxação que caracteriza a

dinâmica destes sistemas, ou seja, é possível acompanhar os movimentos rápidos

Capítulo 3 – Parte experimental 50

relativos a cadeias moleculares dispersas, assim como os movimentos lentos relativos

a agregados ou microgéis em suspensão.

3.6. Reologia

Para avaliar o efeito da concentração polimérica, as soluções de alginato de

sódio e pectina foram preparadas em diferentes concentrações: 10, 20, 30, e 40 g/L em

10 mL de água deionizada e mantida sob agitação constante por 24 horas à

temperatura ambiente. As soluções de AS e P também foram preparadas na

concentração de 20g/L em NaCl 0,1 mol.L

-1

com e sem adição de 1mmol.L

-1

de agente

complexante NaEDTA .

O sistema ternário foi preparado a partir de soluções estoque de alginato de

sódio e pectina (20g/L) preparadas em água deionizada sob agitação constante por 24

h a temperatura ambiente. Combinando-se diferentes quantidades das soluções

estoques foram preparadas soluções nas seguintes proporções AS/P: 30/70, 50/50 e

70/30 (v/v) e o sistema ternário foi mantido sob agitação por 24h a temperatura

ambiente.

No estudo da reticulação com EDC, as soluções de AS, P e do sistema

ternário foram preparadas na concentração 20g/L em água deionizada, mantidas sob

agitação por 24h a temperatura ambiente. A seguir, o pH das soluções poliméricas

foram ajustado para pH 4 com a adição de NaOH 0,1 mol.L

-1

ou HCl 0,1 mol.L

-1

adicionado 25 mmol.L

-1

de EDC.

Imediatamente após a adição do EDC, a transição sol-gel (ponto gel) foi

monitorada medindo-se os módulos de armazenamento, G’, e de perda G’’, a uma

freqüência fixa de 10 rad/s como função do tempo por um período de 12h. As soluções

também foram analisadas após 12h da adição do agente reticulante.

Os experimentos de cisalhamento estacionário e dinâmico foram realizados

em um reômetro Haake modelo RS 300 do Laboratório de Química de Polímeros

Orgânicos (LCPO) da Universidade Bordeaux 1, utilizando em geral um cone com

Capítulo 3 – Parte experimental 51

ângulo de 2º e diâmetro de 60 mm e de 35 mm para as soluções na presença de agente

reticulante. A temperatura foi controlada através da circulação de água de um banho

termostatizado (Phoenix). As medidas foram realizadas em domínio linear,

determinado previamente através de ensaios de tensão realizados a baixa freqüência

(0,1 rad/s).

O comportamento reológico (comportamento newtoniano ou não-

newtoniano) das soluções de alginato de sódio e pectina foi estudado em diferentes

concentrações sujeito a um programa de aumento linear da tensão de cisalhamento de

0,10-100 Pa em 15 minutos, seguido por uma tensão de cisalhamento estacionária de

100 Pa por 3 minutos e finalmente diminuindo linearmente a tensão de cisalhamento

de 100-0,10 Pa em 15 minutos, a 25,0±0,5ºC. Para descrever a variação das

propriedades reológicas das soluções, os dados foram analisados usando o modelo da

lei de potência (Equação 10), que descreve as propriedades de fluídos não-

Newtonianos.



(10)

Na Equação 10, σ é a tensão de cisalhamento (Pa),



é a taxa de

cisalhamento (s

-1

é o coeficiente de consistência (Pa s

) e n é o índice de

comportamento do fluxo (adimensional).

Os dados de cisalhamento dinâmico (G’, G’’ e η

) foram obtidos da

varredura de freqüência angular de 100-0,5 rad/s e τ= 1Pa a 25,0±0,5 ºC. Todas as

medidas reológicas foram realizadas em duplicata.

A cinética de gelificação foi realizada em uma freqüência fixa (10 rad/s)

por um período de 12h e o critério utilizado neste trabalho para determinar o ponto gel

foi o tempo necessário para que G’ e G’’ se igualassem em uma dada freqüência, de

acordo com Stading e colaboradores

[130, 131]

. Medidas de cisalhamento dinâmico foram

também realizadas após um período de 12h da adição do EDC.

Capítulo 3 – Parte experimental 52

3.7. Preparação de filmes

As soluções de alginato de sódio e pectina foram preparadas na

concentração 20g/L em água deionizada (50 mL), sob constante agitação magnética

por 24 horas a temperatura ambiente. As soluções das blendas foram preparadas a

partir das soluções estoque de AS e P (20 g/L) preparadas em água deionizada nas

seguintes proporções AS/P : 30/70, 50/50 e 70/30. Posteriormente, as soluções foram

espalhadas em placas de poliestireno (15 cm de diâmetro) e levadas a capela de

exaustão para evaporação do solvente por 48 h. Os filmes formados foram colocados

em uma estufa à vácuo à 105 ºC por 4 horas e mantidos em dessecador para as

análises. Os filmes obtidos apresentaram espessura final em média de 0,07 mm,

medidos com um micrômetro manual (Mytotoyo 102-217) em pelo menos três regiões

diferentes dos filmes.

3.7.1. Espectroscopia no infravermelho dos filmes

As análises de infravermelho (FTIR) foram realizadas a partir de filmes

finos obtido das soluções polimérica na concentração de 2g/L em água deionizada em

50 mL. O espectro de infravermelho foi obtido em um aparelho de FTIR marca ABB

Bomem Inc, modelo FTLA 2000, com resolução de 4 cm

-1

na faixa de 4000-400 cm

-1

3.7.2. Termogravimetria (TG)

A estabilidade térmica dos filmes de alginato de sódio, pectina e blendas

AS/P foram analisadas por TG. Amostras de aproximadamente 10mg dos filmes foram

colocados em cadinhos de platina e as medidas foram realizadas na taxa de

aquecimento de 10ºC min

-1

em atmosfera dinâmica de N

e faixa de temperatura de

25ºC a 500 ºC, em um equipamento da Shimadzu (TGA 50).

Os dados de perda de massa em função da temperatura e sua derivada, a

DTG foram analisados.

Capítulo 3 – Parte experimental 53

3.7.3. Calorimetria exploratória diferencial de varredura (DSC)

A temperatura de transição vítrea (Tg) dos polisscarídeos e das blendas

foram determinadas utilizando-se a técnica de calorimetria diferencial de varredura

(DSC). Os experimentos foram realizados num equipamento DSC-50, Shimadzu, sob

atmosfera inerte (N

, fluxo de 50 cm

min

-1

). Aproximadamente, 7-10 mg das amostras

dos filmes fora colocados em porta amostras de alumínio imdediatamente aquecidas

até 105ºC a 10ºC min

-1

. Rapidamente foram submetidas a um choque térmico com

nitrogênio líquido com o objetivo de eliminar a história térmica do polímero. Uma

segunda corrida foi realizada, partindo-se da temperatura de -60ºC até cerca de 300ºC,

com taxa de aquecimento de 10 ºC min

-1

As temperaturas de transição vítrea obtidas experimentalmente foram

objeto de análise através das equações de Fox (Equação 1) que relacionam a Tg com a

composição.

3.7.4. Ensaios de tração dos filmes

Ensaios de tensão/deformação foram realizados em um aparelho de ensaio

mecânico EMIC-DL-500

para determinar a tensão máxima, deformação na ruptura e

o módulo de elasticidade ou módulo de Young dos filmes de alginato de sódio, pectina

e blendas AS/P. O método ASTM D882-95a (Standard Test Method for Tensile

Properties of Thin Plastic Sheeting) foi adotado para o experimento e compreende a

determinação de propriedades de tensão ou tração de plásticos em forma de folhas

delgadas, incluindo filmes (com menos de 1,0 mm de espessura). As condições de

temperatura e umidade relativa do ar do laboratório onde foram realizados os testes

eram de 23±2ºC e 50 ±5%, respectivamente. A separação inicial das garras foi de 50

mm e a velocidade de tração de 5 mm/min, com célula de carga de 50 Kgf.

Para cada concentração de filme foram preparadas e analisadas de dez a

quatorze amostras de: 100 mm de comprimento e 25 mm de largura. A espessura do

filme foi medida quando da realização dos ensaios média de três pontos aleatórios,

Capítulo 3 – Parte experimental 54

utilizando-se um micrômetro manual (Mitutoyo 102-217) com divisões de 0,01 mm.

Um microcomputador foi utilizado para gravar as curvas de tensão-deformação com o

auxílio de um programa desenvolvido pelo próprio fabricante do equipamento

(EMIC). As medidas foram efetuadas dentro de um tempo médio de 5 minutos para

que as condições de temperatura e umidade relativa do ar do laboratório não

interferissem nos resultados experimentais.

As amostras foram recortadas e colocadas em estufa a vácuo a 105 ºC por 4

horas, antes de serem acondicionadas em 43 e 75 % de UR por 21 dias para as

medidas.

3.7.5. Cinética de absorção de água (AA)

A cinética de absorção dos filmes foi realizada de acordo com a

metodologia descrita por Anglès e Dufresne

[132]

e determinada para todas as

composições.

As amostras foram cortadas em retângulos de dimensões 75×15 mm e secas

a 105 ºC em estufa a vácuo por 4 horas. Posteriormente foram pesadas (M

) e então

acondicionadas em um sistema vedado, montado em uma balança analítica, saturada

com umidade relativa de 43% e 75%. Em intervalos de tempo específicos a massa de

água absorvida pelo filme (M

) foi registrada até a obtenção do equilíbrio.

O conteúdo de água absorvido (%AA) foi calculado de acordo com a

equação 11:

% 100

−

=×

(11)

Capítulo 3 – Parte experimental 55

3.8. Preparação das matrizes porosas

As matrizes porosas foram obtidas a partir das soluções nas mesmas

condições para obtenção dos filmes. Assim, as soluções de alginato de sódio, pectina e

blendas AS/P foram preparadas na concentração de 20 g/L em 20 mL de água

deionizada sob agitação constante e temperatura ambiente. A seguir, as soluções foram

vertidas em recipiente de acrílico (90×30×20 mm) e submetidas ao procedimento de

congelamento desenvolvido por Lima

[133]

para matrizes porosas de quitosana. Neste

procedimento, as soluções foram sequencialmente congeladas em congelador (-5ºC),

freezer (-20ºC) e liofilizadas a -55 ºC em liofilizador (Freeze Dryer, Edwards High

Vacuum International/ Model Serial) equipado com uma bomba a vácuo modelo E2-

M8 por um período de 24 horas.

3.8.1. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)

Medidas de MEV (Philips XL 30), tanto na forma de filmes, quanto

matrizes porosas foram realizadas para avaliar a influência da composição das

misturas na morfologia dos mesmos. As análises de MEV foram realizadas tanto na

superfície como da secção transversal a partir da fratura em nitrogênio líquido.

Previamente às análises de MEV, as amostras foram recobertas como uma fina camada

de ouro. Espectroscopia de energia dispersiva (EDS) foi realizada para identificação de

íons sódio e cálcio nos filmes. Para as matrizes porosas, o diâmetro médio dos poros

foi calculado a partir da análise de no mínimo 40 poros nas imagens de MEV.

3.8.2. Ensaios de compressão das matrizes porosas

O teste de compressão foi realizado em um aparelho de ensaio mecânico

EMIC-DL-500

usando dois pratos paralelos de 100 mm de diâmetro cada um e com

velocidade de compressão de 5 mm/min até atingir 80% de compressão, com célula de

carga de 500 Kgf. As amostras foram cortadas na forma cilíndrica (20×20 mm). O

módulo de compressão foi calculado da porção linear da curva tensão-deformação com

Capítulo 3 – Parte experimental 56

o auxílio de um software desenvolvido pelo fabricante do equipamento (EMIC). O

experimento foi realizado após 21 dias da exposição das matrizes porosas a UR de

43%. O teste de compressão foi realizado em 5 amostras de cada matriz porosa.

3.9. Preparação de filmes e matrizes porosas de alginato de sódio/pectina

reticulados com CaCl

ou EDC

Os filmes de alginato de sódio e pectina foram preparadas na concentração

de 20g/L em água deionizada e as blendas AS/P, foram obtidas a partir das soluções

estoques dos polímeros puros também a 20 g/L em diferentes proporções (v/v): AS/P

30/70, AS/P 50/50 e AS/P 70/30 e todas as soluções foram mantidas sob agitação

constante por 24 h. Para obtenção de filme reticulados com cálcio, essas soluções

foram aquecidas a 70ºC e adicionados 0,1 g de CaCl

, mantendo-se a solução sob

agitação por mais 30 minutos. No caso do agente reticulante EDC, foi mantido pH 4

em todas as soluções (exceto para a solução de alginato de sódio mantido pH 5) com a

adição de 0,1 mol.L

-1

NaOH ou 0,1 mol.L

-1

HCl e a adição de 25 mmol.L

-1

de EDC

com breve agitação. As soluções reticuladas com cálcio e EDC foram espalhadas em

placas de poliestireno e levadas a capela de exaustão para evaporação Esta reticulação

foi denominada reticulação em solução.

Os filmes formados foram submetidos a uma segunda reticulação,

denominada reticulação por imersão. Nessa etapa, os filmes formados foram cortados

no tamanho adequado para posteriores ensaios e foram colocados em uma solução

etanólica 70% (v/v) contendo 0,4 mol.L

-1

de CaCl

por 30 minutos. No caso do EDC

as melhores condições para reticulação foram obtidas (pH 4, concentração do EDC de

25mmol.L

-1

) de acordo com estudo prévios realizados de acordo com a literatura

[112,

116]

. Para melhor otimização do experimento, diferentes proporções da mistura

etanol/água foram testadas para evitar a dissolução dos filmes durante o processo de

reticulação. Resumidamente, a reticulação foi realizada com uma solução etanólica

60% (v/v) contendo 25 mmol.L

-1

de EDC a pH 4 por 2h. O excesso de reticulante foi

removido deixando-se os filmes imersos em 50 mL de água deionizada sob agitação

por 5 minutos. A seguir os filmes são colocados em uma estufa à vácuo à 105 ºC por 4

Capítulo 3 – Parte experimental 57

horas e mantidos em dessecador para as análises. Os filmes obtidos apresentaram

espessura final média de 0,08 mm, medidos com um micrômetro manual (Mytotoyo

102-217) em pelo menos três regiões diferentes dos filmes.

Análises de FTIR e ensaios mecânicos (apenas em 43% UR) foram

realizados conforme procedimento já descrito para os filmes não reticulados.

As matrizes de alginato de sódio, pectina e as blendas AS/P reticuladas

foram preparadas a partir das soluções obtidas da reticulação em solução, como

descrito para preparação dos filmes. Estas foram vertidas em recipiente de acrílico

(20×20×10 mm) e submetidas ao mesmo procedimento descrito anteriormente para as

matrizes não reticuladas.

As matrizes reticuladas em solução foram submetidas ao segundo processo

de reticulação (imersão), nas mesmas condições da reticulação dos filmes. Após a

retirada do excesso de EDC e de CaCl

pela agitação em água deionizada por 5

minutos, as matrizes reticuladas foram novamente congeladas e liofilizadas por 24h e

acondicionadas em um dessecador para as análises posteriores. Ensaios de compressão

das matrizes porosas reticuladas foram realizados nas mesmas condições empregadas

para as matrizes não reticuladas.

3.9.1. Razão de intumescimento (RI) de filmes em solução etanólica

Através da RI em diferentes concentrações de etanol (40-100% v/v) foi

possível determinar qual a concentração de etanol necessária para a reticulação dos

filmes sem promover a dissolução do mesmo. Desta maneira, filmes não reticulados

foram imersos em várias misturas etanol-água por 20h a temperatura ambiente e após

esse período são colocados entre papel de filtro para remover o excesso da mistura. A

RI foi calculada da razão

M , sendo

a massa do filme no tempo t e

massa do filme no tempo inicial. Experimentos em triplicata foram realizados para

cada composição. A mesma concentração de etanol para reticulação dos filmes foi

adotada para as matrizes porosas.

Capítulo 3 – Parte experimental 58

3.9.2. Razão de intumescimento em solução tamponada

A razão de intumescimento (RI) dos filmes e das matrizes porosas, que foi

também usada como parâmetro de medida da extensão da reticulação

[134]

(considerando a solubilidade total do filme não reticulado), foi analisada em termos do

período de tempo de exposição em solução tamponada pH 7,4.

A razão de intumescimento foi expressa como a razão do ganho em massa

em relação à massa inicial do filme. A RI foi medido usando três amostras escolhidas

aleatoriamente de cada tipo de filme, secas a 105°C por 24h para determinar a massa

inicial. As amostras dos filmes (50×50 mm) e das matrizes porosas (20×20 mm)

reticulados foram imersos em um tubo de ensaio com 5 mL de solução tamponada pH

7,4 em um banho termostatizado a 37ºC a 120 revoluções por minutos e por diferentes

períodos de tempo. Após um período de tempo pré-determinado, os filmes foram

removidos da água e a água na superfície foi removida com papel de filtro para

obtenção da massa final. A RI foi calculada de acordo com o item 3.9.1.

3.9.3. Estabilidade em solução dos filmes e matrizes porosas reticulados

A estabilidade de filmes e matrizes porosas foi analisada considerando-se o

processo de imersão em solução tamponada (pH 7,4) por um período total de 30 dias.

A massa de cada filme e matriz porosa após remoção da solução tampão, lavagem com

etanol e secagem foi determinada e comparada com a massa inicial. A redução da

massa foi indicativa da perda de estabilidade (solubilidade da amostra).

Capítulo 3 – Parte experimental 59

3.10. Adição de plastificante e reticulação com formaldeído

3.10.1. Preparação dos filmes

Alginato de sódio foi dissolvido em água deionizada (20 g/L) sob agitação

magnética constante. Sorbitol (S) foi adicionado em diferentes concentrações (11%,

25% e 43% m/m) em relação à massa fixa do alginato de sódio (1,0 g) obtendo-se

misturas alginato de sódio/sorbitol (AS/S): 90/10; 80/20 e 70/30. Cada solução foi

colocada em placas de poliestireno e secas a temperatura ambiente por 48 h. Para a

reticulação, os filmes de alginato de sódio e alginato de sódio/sorbitol obtidos foram

imersos por 24h em um solução de formaldeído (6% formaldeído e 0,5% HCl em

solução aquosa de acetona 50%), como descrito na literatura.

[135]

Após o tempo

determinado, os filmes foram lavados várias vezes com metanol puro para eliminar

possíveis resíduos de HCl e formaldeído e secos em uma estufa à vácuo. Análises de

MEV, cinética de absorção de água e ensaios mecânicos (análises realizadas somente

em 43% UR) foram realizados conforme procedimento já descrito para os filmes não

reticulados. A razão de intumescimento foi realizada de acordo com o procedimento

descrito para os filmes reticulados.

3.10.2. Espectroscopia no infravermelho

Os espectros no infravermelho foram obtidos em um espectrômetro com

transformadas de Fourier Perkin Elmer FTIR (model 16PC) na região de 4000- 400

-1

, resolução de 4 cm

-1

Os filmes de alginato de sódio e alginato de sódio/sorbitol na

concentração de 2g/L foram analisados antes e após o processo de reticulação.

3.11. Incorporação de fármaco modelo nas matrizes porosas

As soluções de alginato de sódio, pectina e blendas AS/P: 30/70, 50/50 e

70/30 foram preparadas em água deionizada (20 mL) na concentração 20 g/L sob

agitação constante por 24h. Após esse período, 100 mg (5mg/mL) de paracetamol

Capítulo 3 – Parte experimental 60

como fármaco-modelo foi adicionado na solução e mantido sob agitação por mais 3h.

A seguir, as matrizes foram obtidas da liofilização das soluções congeladas e

reticuladas pelo processo de reticulação em solução e por imersão, como descrito na

preparação de matrizes reticuladas.

3.11.1. Eficiência de incorporação do fármaco-modelo nas matrizes

A quantidade de paracetamol incorporado nas matrizes porosas reticuladas

foi calculada a partir da concentração inicial adicionada nas matrizes (5mg/mL) e a

concentração do fármaco perdida no estágio de reticulação por imersão e na lavagem

em água deionizada para retirada do excesso de CaCl

e EDC. A quantidade de

fármaco foi determinada por medidas de absorbância a 244 nm em um

espectrofotômetro da Perkin Elmer UV-vis Lambda 11/Bio. Aplicando-se a lei de

Lambert-Beer (Equação 12) aos valores de absorbância foi possível determinar a

concentração de paracetamol.

(12)

A Equação 12 mostra que a absorbância (A) medida está relacionada

diretamente com a absortividade molar (ε) do paracetamol (9.850,6 M

-1

), distância

que o feixe de luz atravessa a amostra (b=1cm) e a concentração de soluto na solução

(C).

A análise de MEV foi realizada conforme procedimento descrito para as

matrizes não reticuladas.

3.11.2. Liberação do fármaco-modelo a partir das matrizes porosas

As matrizes de alginato de sódio, pectina e blendas AS/P 70/30, 50/50 e

30/70 (90×30×20 mm) foram colocadas em um recipiente de vidro com vedação

contendo 100 mL de solução tamponada pH 7,4. Os recipientes foram agitados em um

banho termostatizado a 37ºC a 120 revoluções por minutos. Em intervalos de tempo

pré-determinados 5mL da solução contida no tubo de ensaio foi retirada e igual

Capítulo 3 – Parte experimental 61

quantidade de solução tamponada foi adicionada. Condições sink foram mantidas

durante o experimento (condições sink são condições experimentais de liberação de

fármaco nas quais a concentração de fármaco não pode exceder 10 a 20% da sua

solubilidade no meio)

[136]

A concentração de paracetamol nas soluções coletadas foi determinada por

medidas de absorbância a 244 nm em um espectrofotômetro da Perkin Elmer UV-vis

Lambda 11/Bio. Aplicando-se a lei de Lambert-Beer (Equação 12) aos valores de

absorbância foi possível determinar a concentração de paracetamol liberado.

Os experimentos foram realizados em duplicata para cada matriz porosa.

CAPÍTULO 4

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1. Determinação do grau de esterificação da pectina (GE)

A determinação do GE no caso da pectina é um fator importante para a

escolha das condições de reticulação, por exemplo, as pectinas de baixo GE formam

ligações cruzadas com íons divalentes (exceto Mg

), já as pectinas de alto GE formam

ligações cruzadas em meio ácido, em presença de altas concentrações de co-soluto,

geralmente sacarose. A Figura 11 mostra o espectro de RMN-

H obtido de acordo

com o método de Grasdalen e colaboradores

[50]

Figura 11 – Espectro de NMR-H

da pectina.

A partir da Equação 9 que considera a relação entre as intensidades dos

picos A e B, foi estimado um grau de esterificação da ordem de 20% (baixo GE). O

Capítulo 4 – Resultados e discussões 63

espectro de RMN-

H obtido para pectina neste estudo é muito similar ao apresentado

por Grasdalen e colaboradores

[50]

para pectina de GE na ordem de 16.

4.2. Determinação da razão entre as unidades M e G no alginato de sódio

A razão entre os grupos manurônicos e gulurônicos (M/G) do alginato de

sódio foi determinada pelo método de Filippov e Kohn

[127]

, através do quociente entre

a absorbância em 1125 cm

-1

(M) e 1030 cm

-1

(G) (Figura 12).

1000 1500

0,0

0,5

1,0

1,5

Absorbância

Número de Onda (cm

-1

)

1030 cm

-1

1125 cm

-1

Figura 12 – Espectro de infravermelho do alginato de sódio.

Geralmente a razão M/G para alginato de sódio extraído de algas marrons

tem valores na faixa de 0,45 e 1,85

[8]

. Neste estudo foi encontrado um valor de 1,64

sugerindo que o alginato de sódio utilizado é constituído de 40% de grupos

gulurônicos e 60% de grupos manurônicos.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 64

4.3. Determinação da massa molar dos polissacarídeos

As massas molares do alginato de sódio e da pectina foram determinadas

por viscosimetria, via equação de Mark-Houwink (Equação 2). Os valores das

constantes K e a

[128, 129]

, viscosidade intrínseca [η], condições das medidas e os valores

da massa molar viscosimétrica (M

) estão apresentadas na Tabela 4.

Tabela 4 – Constante de Mark-Houwink para alginato de sódio e pectina.

Polímero Condições K/dL.g

-1

[η] dL/g

Alginato de

Sódio

NaCl 0,1 mol.L

-1

25ºC

7,30 x 10

-5(a)

0,92

(a)

9,58 375 kDa

Pectina

NaCl 0,1 mol.L

-1

25ºC

9,55 x 10

-5(b)

0,73

(b)

3,80 83 kDa

(a) Martinsen e colaboradores (1991).

(b) Anger e Berth (1986).

Para o alginato de sódio, o valor determinado foi similar ao encontrado por

Gómez-Diaz e colaboradores

[71]

cujo valor de massa molar viscosimétrica foi 410kDa

para alginato de sódio. Por outro lado, Nordby e colaboradores

[78]

encontraram valores

próximos a 50 kDa. Essa diferença nos valores deve-se a origem (fonte), método de

extração e tratamento químico utilizado.

[129, 137, 138]

O valor da massa molar viscosimétrica obtido neste estudo para a pectina,

encontra-se no valor esperado que varia entre 50 a 200 kDa, de acordo com outros

estudo.

[9]

A variação na massa molar depende dos mesmos fatores apresentado pelo

alginato de sódio e no caso da pectina a formação de agregados, um fator intrínseco da

macromolécula, influência muito na determinação da massa molar.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 65

4.4. Viscosimetria

Na Figura 13 (A) e (B), mostra a viscosidade reduzida em função da

concentração para a pectina e o alginato de sódio, respectivamente.

500

1000

1500

2000

0 5 10 15 20

Viscosidade Reduziada (mL/g)

Concentração (x 10

g/mL)

(A)

500

1000

1500

2000

2500

0 5 10 15 20

Viscosidade Reduzida (mL/g)

Concentração ( x 10

g/mL)

(B)

Figura 13 - Gráfico da viscosidade reduzida em função da concentração da

pectina (A) e do alginato de sódio (B) em água deionizada (•), NaCl 0,1 mol.L

-1

(□), NaCl 0,1 mol.L

-1

com 1mmol.L

-1

de NaEDTA (ο) preparados a temperatura

ambiente e para a solução de alginato de sódio em KCl 0,1 mol.L

-1

preparado a

temperatura ambiente (▲) e a 80 ºC (U).

A Figura 13 mostra em água, um contínuo aumento da viscosidade com a

diluição para ambos os polissacarídeos. O alginato de sódio e pectina, sendo dois

polieletrólitos aniônicos em água e na ausência de sal, ocorre uma mudança na sua

Capítulo 4 – Resultados e discussões 66

conformação de novelo aleatório para cadeia estendida devido à repulsão eletrostática,

o chamado efeito polieletrolítico. Alem disso, ocorre a formação de complexas

ligações de hidrogenio nos polieletrólitos, por exemplo, entre os grupos hidroxila e

carboxilato e no caso da pectina, também as interações hidrofóbicas (entre as unidades

esterificadas).

Walkinshaw e colaboradores

[139]

, usando modelos baseados em estudo de

difração de raios-X têm demonstrado que as ligações hidrogênio são favorecidas pela

conformação adjacente dos resíduos galacturônicos na pectina, estabilizando seus

agregados. As unidades esterificadas da pectina podem participar de interações

hidrofóbicas, que podem ser formadas por grupos esterificados de resíduos de pectina

adjacentes.

A equação empírica de Fuoss

[140]

é usada frequentemente para determinar a

viscosidade intrínseca de polissacarídeos em água.

Entretanto, alguns estudos

[43]

têm mostrado que o uso desta equação

apresenta valores de [η] elevados. Assim, a [η] pode ser obtida com pequena variação,

através do gráfico de η

red

em função da concentração usando o método de regressão

linear de ordem quatro para calcular diretamente o valor da [η] dos polissacarídeos em

água.

De acordo com a Tabela 5Tabela 5, o valor da [η] em água da pectina é

menor que a do alginato de sódio. Esse comportamento sugere que a densidade de

carga do potencial eletrostástico pode influenciar as interações intercadeias, ou seja,

que os valores do pKa das unidades galacturônicas na pectina e das unidades G e M do

alginato de sódio influenciam na viscosidade num determinado valor de pH. De acordo

com a literatura, o valor do pKa das unidades galacturônicas da pectina varia em torno

de 3,5-4,5 e no caso do alginato de sódio para as unidades G é de 3,6 e para as

unidades M de 3,3.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 67

Tabela 5 – Valores de viscosidade intrínseca para o sistema alginato de

sódio/pectina em diferentes condições.

[η] mL/g

Sistemas

P AS Blendas

Água a 25°C

1957 2418

NaCl 0,1 mol.L

-1

a 25°C

380 958

NaCl 0,1 mol.L

-1

a 25°C (AS/ P: 30/70)

582

NaCl 0,1 mol.L

-1

a 25°C (AS/P: 50/50)

712

NaCl 0,1 mol.L

-1

a 25°C (AS/P: 70/30)

772

NaCl 0,1 mol.L

-1

NaEDTA 1mmol.L

-1

a 25°C

390 895

KCl 0,1 mol.L

-1

a 25°C nd

1160

KCl 0,1 mol.L

-1

a 80°C nd

780

Blenda Alginato de sódio / Pectina;

Não determinado.

Nesse estudo, a solução aquosa de pectina e alginato de sódio, apresentaram

valores de pH ao redor de 3,41 e 6,42 respectivamente. Em valores de pH maiores que

6, devido a densidade de carga do potencial eletrostástico, as cadeias de alginato

apresentam maior repulsão intramolecular, o que promove a máxima elongação das

mesmas. Na sua forma estendida, a superfície de contato intermolecular para as

cadeias do alginato é maior, possibilitando uma maior interação. Conseqüentemente, o

valor da viscosidade para as soluções de alginato de sódio é maior que para a pectina,

a qual a última foi estudada em valores de pH ao redor 3,5 onde apenas cerca de 50%

das unidades galacturônicas apresentam-se ionizadas.

Frequentemente, a adição de sal, e outras substâncias responsáveis pela

quebra de ligações hidrogênio, como por exemplo, a uréia, tem sido utilizada para

dissociar os agregados. A adição do cloreto de sódio tem diminuído ou eliminado as

mudanças na conformação de biopolímeros dissolvidos em água.

[141-146]

Neste estudo,

os sais NaCl foi adicionado para determinar o efeito sobre o volume hidrodinâmico da

pectina, do alginato de sódio e blendas AS/P. Após a adição de NaCl, a pectina

apresentou um comportamento linear e uma grande diminuição no valor da [η] (Tabela

5) sugerindo que diferentes segmentos do polímero são gradualmente blindados,

Capítulo 4 – Resultados e discussões 68

diminuindo a repulsão eletrostática intracadeias e consequentemente reduzindo a

dimensão da cadeia estendida (diminuição das interações intercadeias).

Um comportamento similar (diminuição no valor da [η]) foi observado para

pectina de alto e baixo GE com a adição de sal (NaCl e LiCl), devido ao rompimento

de ligações de hidrogênio intermoleculares. Os autores ainda concluem que o efeito do

tipo de sal (NaCl e LiCl) sobre a [η] foi negligenciável para pectina de baixo e alto

GE.

[66]

A adição de NaEDTA (Tabela 5) com o objetivo de diminuir a interação

das cadeias dos polissacarídeos com traços de cátions divalentes como cálcio, não

mostrou uma mudança significativa na [η], apenas um ligeiro aumento da [η] foi

observado.

O aumento da força iônica (NaCl ou KCl) promoveu também uma

diminuição da viscosidade do alginato de sódio e o efeito foi mais significativo em

NaCl do que em KCl. De acordo com os resultados mostrados na Tabela 5 para o

alginato de sódio, pode ser proposto que o motivo para tal diferença se baseia nas

propriedades dos íons dos metais alcalinos, discutidas abaixo.

O raio iônico do íon Na

(0,95 Å) é menor que o do K

(1,33 Å),

consequentemente, a eletronegatividade dos elementos diminuem com o aumento do

raio iônico, e o número de hidratação dos íons diminui com a diminuição da

eletronegatividade. Sendo assim, na presença de íons Na

, o efeito de blindagem sobre

a cadeia do polímero é maior, devido ao seu raio de hidratação maior, o que diminui a

repulsão intracadeia, contribuindo para a diminuição da dimensão da cadeia estendida.

Por outro lado, quando íons K

forma adicionados, devido a seu raio de hidratação ser

menor do que o dos íons sódio, uma carga residual superficial positiva persiste,

resultando numa menor atenuação da repulsão eletrostática intracadeia, fazendo com

que as cadeias na presença de K

sejam mais estendidas, e, portanto ocorre uma maior

interação intercadeia, do que na presença de íons sódio. Esse comportamento também

foi observado por Zhang e colaboradores.

[68]

Capítulo 4 – Resultados e discussões 69

O efeito do sal nas propriedades de polímeros são apresentadas em alguns

estudos, como no caso da carragenana

[147]

, do alginato de sódio e do sulfato de

dextrana

[148]

que formam gel na presença de sal na seguinte ordem: K

>Na

>Li

Watase and Nishinari

[147]

mostraram que o módulo elástico do gel da

- carragenana

diminui drasticamente com a adição de íons de metais alcalinos, na seguinte ordem:

>Na

>Li

. Os autores sugerem que a repulsão eletrostática dos grupos sulfato

no gel da

-carragenana é evitada devido a ação de proteção dos íons metálicos

alcalinos que estabilizam a estrutura dupla hélice do gel da

-carragenana. Um íon

com raio hidrodinâmico menor como o Li

é altamente hidratado e atua como um íon

de organização da estrutura, enquanto que íons grandes como o K

é fracamente

hidratado e, portanto, promovendo uma interação direta com os grupos carboxíla

livres. Hales e colaboradores

[148]

, afirma que Li

pode solvatar melhor os grupos

carboxíla que Na

e K

. Além disso, eles encontraram a maior solvatação do alginato

pelos íons Li

em relação ao Na

e K

, aumenta a entalpia da mudança exotérmica

devido ao menor raio iônico do Li

, sugerindo que alginato de lítio é mais estável em

solução que alginato de sódio ou potássio.

Em geral, a viscosidade de uma solução diminuiu com o aumento da

temperatura e no caso das soluções de alginato, promovendo uma mudança de

conformação que pode ser irreversível se longo tempo de exposição persistir a altas

temperaturas.

[149]

Um aumento na temperatura da solução de alginato em KCl 0,1M

promoveu uma diminuição na viscosidade sugerindo que interações como as ligações

de hidrogênio são rompidas a 80ºC e aparentemente, uma mudança na conformação

promoveu uma melhor distribuição espacial das cadeias do polissacarídeo.

Ainda na Tabela 5, apresenta os valores de viscosidade intrínseca das

blendas de AS/P que são intermediários aos polissacarídeos puros e dependentes da

sua composição. Esse resultado sugere que as blendas AS/P não apresentam um efeito

sinérgico, mas apenas um efeito de adição das propriedades dependentes da

composição da blenda.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 70

4.5. Espalhamento de Luz Dinâmico (DLS)

No experimento de DLS de polieletrólitos, nenhuma adição ou baixa

concentração de sal mostra a existência de dois modos de relaxação: um rápido e outro

lento. Esse efeito tem sido mostrado para sistemas macromoleculares carregados,

incluindo soluções de polieletrólitos sintéticos e polieletrólitos biológicos.

[150-156]

função de autocorrelação da intensidade espalhada G

(2)

(t) para as soluções de pectina

e alginato de sódio em diferentes condições são apresentadas na Figura 14 (A) e (B).

0,2

0,4

0,6

0,8

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10

(t)

t (ms)

(A)

0,2

0,4

0,6

0,8

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10

(t)

t (ms)

(B)

Figura 14 – Função de autocorrelação da intensidade espalhada para a solução de

pectina (A) e do alginato de sódio (B) preparados à temperatura ambiente em

água (●) e diferentes soluções salinas: NaCl 0,1mol.L

-1

(□) e KCl 0,1 mol.L

-1

(▲),

medidas realizadas a 25

C e θ=90

Capítulo 4 – Resultados e discussões 71

Na Figura 15 (A) e (B) são apresentados o gráfico da amplitude versus raio

hidrodinâmico R

(nm), para θ=90º, obtidos pelo método CONTIN.

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,1 1 10 100 1000 10

Amplitude (unidades arbitrárias)

(nm)

(A)

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,1 1 10 100 1000 10

Amplitude (unidades arbitrárias)

(nm)

(B)

Figura 15 – Amplitude versus raio hidrodinâmico (R

) para as soluções de

pectina (A) e alginato de sódio (B) preparados à temperatura ambiente em água

(●) e diferentes soluções salinas: NaCl 0,1 mol.L

-1

(□) e KCl 0,1 mol.L

-1

(▲);

medidas realizadas a 25

C e θ=90

, obtida pelo método CONTIN.

Para ambos os sistemas são observados dois modos de relaxação,

correspondendo ao modo de relaxação rápido (

) e o modo de relaxação lento (

)

que é predominante. O modo rápido (

) provavelmente é associado com a relação de

moléculas simples ou pequenos agregados e também a difusão do par constituído do

poliíon e seu contra-íon. O modo lento (

) representa a dinâmica de grandes

Capítulo 4 – Resultados e discussões 72

estruturas formadas pela interação intermolecular entre as cadeias (agregados), que foi

observado em outros estudos.

[157, 158]

A presença do modo lento tem sido observada em

estudo de DLS para o sistema pectina.

[159]

O efeito do sal também foi avaliado comparando-se a função de

autocorrelação na presença e na ausência de NaCl e KCl. Em geral, no estudo de DLS

a intensidade do espalhamento de polieletrólitos na ausência de sal é bem discutida e

apresenta um máximo na intensidade de espalhamento como conseqüência da repulsão

eletrostática das cadeias, que desaparece progressivamente quando o sal é adicionado.

Esse efeito foi observado, por exemplo, para o poli (estirenossulfonado) de sódio e

vários polissacarídeos

[160-163]

e que a adição de NaCl na solução blindam as repulsões

eletrostáticas, promovendo uma diminuição na intensidade de espalhamento. Neste

estudo foi analisado principalmente o efeito devido a presença de NaCl e KCl,

considerando a diferença no raio iônico.

O alginato em solução de KCl apresentou uma diminuição da contribuição

dos tempos de relaxação em relação a solução de alginato em NaCl. Uma possível

explicação para esse fenômeno seria que o íon K

apresenta um menor raio de

hidratação do que o íon Na

, o que possibilita uma menor solvatação dos grupos

carregados da macromolécula, e como discutido anteriormente para os dados de

viscosimetria, há uma carga residual positiva distribuída ao longo da cadeia na

presença do íon K

(maior que na presença de Na

), promovendo um distribuição

espacial das cadeias com a diminuição das interações intercadeias (ligações de

hidrogênio).

Essa melhor distribuição espacial das cadeias do alginato é devido a carga

residual positiva dos íons K

que promove a repulsão eletrostática intercadeias. No

caso do alginato em solução de NaCl, o aumento da blindagem pelo seu maior raio de

hidratação, possibilitou uma maior interação entre as cadeias do polímero (intra e

intermolecular), consequentemente aumentado sua função de autocorrelação e o R

(Tabela 6) quando comparado com a solução de KCl.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 73

Tabela 6 - Raio hidrodinâmico (sem a dependência angular) relacionados aos

modos de relaxação rápido e lento para soluções de alginato de sódio e pectina em

diferentes condições.

Sistema

Modo de relaxação rápido

(nm)

Modo de relaxação lento

(nm)

AS P AS P

NaCl 0,1 mol.L

-1

11,1±3,5 15,1±3,6 543,1±9,1 187,2±4,3

NaCl 0,1 mol.L

-1

80°C

10,3±2,2 17,2±2,2 438,3±4,0 138,4±6,3

KCl 0,1 mol.L

-1

12,4±0,9 20,4±1,7 224,2±10,2 198,1±2,4

KCl 0,1 mol.L

-1

80°C

10,2±2,4 25,7±1,1

170,2±3,6

Para pectina, o R

para o modo de relaxação lento em NaCl é menor que em

KCl (Tabela 6), devido a menor solvatação do poliíon pelo K

em comparação com o

, que provoca a diminuição da dimensão das cadeias e também das interação

intermoleculares. Os valores do R

das soluções de pectina não apresentaram grande

diferença entre si, como no caso das soluções de alginato, devido a pectina ser uma

macromolécula bastante heterogênea, com a presença de açúcares neutros e também de

unidades esterificadas que forma ligações hidrofóbicas que estabilizam os agregados

formados. Estudo da viscosidade das soluções de pectina em NaCl e LiCl também não

apresentaram diferença entre os sais.

[66]

Comparando-se o R

do alginato e da pectina em ambas as soluções salinas,

as soluções de pectina apresentaram R

muito menor que o do alginato. Este resultado

está relacionado com o grau de ionização da pectina em NaCl (em média 50% das

unidades ionizadas) em comparação com as soluções de alginato que apresentam perto

da totalidade das unidades G e M ionizadas.

A Figura 16 mostra as funções de autocorrelação da intensidade espalhada e

a Figura 17 são apresentados os gráficos da amplitude versus raio hidrodinâmico R

(nm) para as soluções de pectina e de alginato de sódio após agitação por 24h a 80ºC,

respectivamente.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 74

0,2

0,4

0,6

0,8

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10

(t)

t (ms)

(A)

0,2

0,4

0,6

0,8

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10

(t)

t (ms)

(B)

Figura 16 - Função de autocorrelação da intensidade espalhada para a solução de

pectina (A) e do alginato de sódio (B) preparados à 80ºC em NaCl 0,1mol.L

-1

(■) e

KCl 0,1 mol.L

-1

(U), medidas realizadas a 25

C e θ=90

A função de autocorrelação da intensidade espalhada das soluções de

pectina em ambos os sais apresentaram um pequeno efeito no tamanho do R

(Tabela

6) com o aumento da temperatura para 80ºC (Figura 16 A).

Capítulo 4 – Resultados e discussões 75

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,1 1 10 100 1000 10

Amplitude (unidades arbitrárias)

(nm)

(A)

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,1 1 10 100 1000 10

Amplitude (unidades arbitrárias)

(nm)

(B)

Figura 17 - Amplitude versus raio hidrodinâmico (R

) para as soluções de pectina

(A) e alginato de sódio (B) preparados à 80º em NaCl 0,1 mol.L

-1

(■) e KCl 0,1

mol.L

-1

(U); medidas realizadas a 25

C e θ=90

, obtida pelo método CONTIN.

A presença de dois modos de relaxação (um lento e outro rápido) (Figura 17

A) das soluções preparadas à temperatura ambiente é também observada após

aquecimento. Entretanto, a análise da função de autocorrelação das soluções de pectina

em KCl preparadas a temperatura ambiente e a 80ºC (dados não mostrados) revelam

uma ligeira diminuição no modo de relaxação lento com o aumento da temperatura,

sem a destruição dos agregados na solução. Estudo de DLS

[82]

indicou que o

aquecimento de soluções de pectina de 25 para 60 ºC em 0,1 mol.L

-1

de NaCl,

promoveram a quebra de ligações de hidrogênio.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 76

Ao contrário das soluções de alginato, que apresenta uma diminuição das

contribuições dos tempos de relaxação à 80ºC como mostrado na Figura 16 (B) e na

Figura 17 (B) em KCl, o modo de relaxação lento desaparece, sugerindo que o

aumento da entropia (promovido pelo aumento da temperatura) promove a quebra das

interações intermoleculares (ligação de hidrogênio). Já a intensidade do modo de

relaxação rápido aumenta com o aquecimento que pode ser estar relacionado com o

intumescimento das cadeias.

Na Tabela 6 ainda apresenta o R

para o alginato e pectina na presença de

NaCl e KCl, preparados sob agitação por 24h a temperatura ambiente e a 80ºC. Como

observado, o R

referente ao modo de relaxação lento diminuiu com o aumento da

temperatura em ambos os sistemas. No caso da pectina, estudos reológicos

[79, 164]

sugerem que a diminuição na temperatura pode promover uma transição de

conformação para uma estrutura tridimensional mais compacta induzindo a agregação

das cadeias da pectina, aumentando em conseqüência o R

. Entretanto, a natureza

dessas associações em soluções diluídas de pectina ainda permanece em discussão.

Acredita-se que os agregados da pectina sejam formados espontaneamente mesmo em

soluções diluídas.

[9]

No caso do alginato, a ausência do R

em solução de KCl em comparação

com o sistema em NaCl, foi devido a três fatores: o primeiro é estrutura relacionado

com o seu grau de ionização (pH em torno de 6), o segundo é devido ao menor raio de

hidratação do K

e consequentemente sua interação direta, e o terceiro relacionado

com a temperatura de preparação a 80ºC, que pode ter promovido a quebra das

ligações hidrogênio. Com a quebra das interações intermoleculares e com a carga

residual positiva do potássio, as cadeias do alginato apresentam uma melhor

distribuição espacial das cadeias do polissacarídeo e se mantém livres. Esse mesmo

resultado foi observado em experimentos de viscosimetria com a redução da [η].

No intuito de entender melhor a formação de agregados do alginato e da

pectina em solução de NaCl, o efeito da concentração do NaCl e adição de um agente

complexante de cátions divalentes, o NaEDTA em ambas as concentrações de NaCl

Capítulo 4 – Resultados e discussões 77

foram estudadas e são apresentados na Figura 18. O R

associado ao modo de

relaxação rápido permanece praticamente constante com o aumento da concentração

do NaEDTA em NaCl 0,1 e 0,5 mol.L

-1

, como mostrado na Figura 18 (A). Para o

modo de relaxação lento o R

aumenta para pectina em ambas as concentrações de

NaCl, à medida que aumenta a concentração de NaEDTA, resultado do aumento da

agregação entre as cadeias poliméricas. O aumento do tamanho dos agregados pode

estar relacionado com a probabilidade da associação múltipla das cadeias pelo íon

EDTA

. Esta associação múltipla entre as cadeias de pectina, ocorre devido ao menor

grau de ionização dos grupos carboxílatos (pH ao redor de 3,6) promovendo um

aumento das interações (ligações de hidrogênio e hidrofóbicas). O aumento do R

foi

ainda mais pronunciado em 0,5 mol.L

-1

de NaCl com a adição de NaEDTA, devido ao

aumento da blindagem das unidades galacturônicas pelos íons sódio, diminuindo as

repulsões eletrostáticas e aumentando a associação múltiplas entre as cadeias via

ligação de hidrogênio formadas pelos íons EDTA

. Kjoniksen e colaboradores

[72]

estudaram o efeito da concentração do NaCl sobre a viscosidade da solução de pectina,

no qual apresentou um valor máximo de viscosidade quando a concentração salina foi

de 0,1 mol.L

-1

e diminuiu com o aumento da concentração do sal, sugerindo que acima

de 0,1 mol.L

-1

aumenta ainda mais as associações múltiplas intercadeias em

conseqüência do forte efeito de blindagem das repulsões eletrostáticas.

O efeito da adição de 1 mmol.L

-1

de NaEDTA na solução de alginato

(Figura 18 B) em ambas as concentrações de NaCl promoveu um diminuição no R

modo lento e permaneceu constante a altas concentrações do agente complexante. O

efeito observado (diminuição do R

) é aparentemente associado com a complexação

entre o NaEDTA e íons divalentes como, por exemplo, o Ca

presentes em solução do

alginato e consequentemente diminuindo a interação intermolecular do polissacarídeo.

O aumento da concentração do NaCl de 0,1 mol.L

-1

para 0,5 mol.L

-1

provocou a perda

da entropia pela forte blindagem das forças repulsivas que resulta na associação

múltiplas entre as cadeias através de complexas interações que reflete no aumento do

do modo de relaxação rápido e lento para ambos os sistemas.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 78

012345

150

200

250

300

350

(nm)

Composição NaEDTA (mM)

(A)

012345

300

400

500

600

Rh (nm)

Composição NaEDTA (mM)

(B)

Figura 18 – R

(sem a dependência angular) versus concentração de NaEDTA das

soluções de pectina (A) e alginato de sódio (B) preparadas a temperatura

ambiente em NaCl 0,1 mol.L

-1

: modo rápido (●)(⎯) e modo lento (■)(⎯) e em

NaCl 0,5 mol.L

-1

: modo rápido (○) (…) e modo lento(□)(…). Medidas realizadas a

25ºC e θ=90º.

O efeito da temperatura de preparação nas soluções de pectina e o alginato

em NaCl 0,1 mol.L

-1

em função da concentração de NaEDTA foi também estudado . O

para os dois sistemas foram determinados e comparados na Figura 19. Nenhuma

mudança significativa foi observada com o aumento da concentração de NaEDTA no

modo de relaxação rápido. Considerando o valor do R

para o sistema preparado a

temperatura ambiente sem o agente complexante, o R

para o modo lento aumentou

para a pectina (Figura 19 A) e diminuiu para o alginato (Figura 19 B) com o aumento

da concentração do NaEDTA. O valor do R

para o modo rápido aumenta com o

Capítulo 4 – Resultados e discussões 79

aumento da temperatura, que pode estar relacionado com o intumescimento das

cadeias do polissacarídeo.

012345

150

200

250

300

(nm)

Composição de NaEDTA (mM)

(A)

012345

200

300

400

500

600

(nm)

Composição NaEDTA (nm)

(B)

Figura 19 - R

obtido sem a dependência angular versus concentração de

NaEDTA das soluções de pectina (A) e alginato de sódio (B) preparadas em NaCl

0,1 mol.L

-1

em diferentes temperaturas: modo rápido a temperatura ambiente

(●)(⎯) e a 80º (○)(…) e modo lento a temperatura ambiente(■ (⎯) e a 80ºC

(□)(…). Medidas realizadas a 25ºC e θ=90º.

Para pectina, a diminuição do R

com o aumento da temperatura para o

modo lento é pode ser devido às interações intermoleculares, como a ligação

hidrogênio que foram quebradas com o aumento da temperatura.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 80

No caso da solução de alginato preparada em NaCl 0,1 mol.L

-1

a 80ºC, o

aumento da concentração de NaEDTA, induziu a uma diminuição da contribuição dos

tempos de relaxação, mostrado na Figura 20 (A) e na concentração de 5 mmol.L

-1

agente complexante os agregados são praticamente destruídos, como pode ser

observado na Figura 20 (B), devido a presença de um único modo de relaxação

relacionado ao modo de relaxação rápido.

0,2

0,4

0,6

0,8

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10

(t)

t (ms)

(A)

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,1 1 10 100 1000 10

Amplitude (unidades arbitrárias)

(nm)

(B)

Figura 20 – g

(t) em função do t (ms) (A) e amplitude versus R

(B) para solução

de alginato preparada em NaCl a 80ºC com diferentes concentrações de NaEDTA

0mmol.L

-1

(●); 1mmol.L

-1

(○) e 5 mmol.L

-1

(□). Medidas realizadas a 25ºC e

θ=90º.

Esse resultado sugere que cátions divalentes podem induzir a formação de

agregados e somente são destruídos quando 5 mmol.L

-1

de NaEDTA em NaCl foi

Capítulo 4 – Resultados e discussões 81

adicionado e as ligações intermoleculares, como as ligações de hidrogênio são

quebradas com o aquecimento da solução a 80ºC por 24h. Assim, apenas um modo de

relaxação foi observado relacionado ao modo de relaxação rápido.

As blendas de alginato e pectina também foram estudadas e a Figura 21

mostram as funções de autocorrelação da intensidade espalhada e a Figura 22 são

apresentados os gráficos da amplitude versus raio hidrodinâmico R

(nm), das soluções

de alginato, pectina e as blendas preparadas em (A) NaCl e (B) KCl a 80ºC.

0,2

0,4

0,6

0,8

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10

(t)

t (ms)

(A)

0,2

0,4

0,6

0,8

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10

(t)

t (ms)

(B)

Figura 21 - Função de autocorrelação da intensidade espalhada para a solução de

alginato (○), pectina (•) e suas blendas AS/P 30/70 (∆), AS/P 50/50 (◊) e AS/P

70/30 (□) preparadas em NaCl (A) e KCl (B) a 80ºC. M

edidas realizadas a 25

C e

θ=90

Capítulo 4 – Resultados e discussões 82

De acordo com a Figura 21, as funções de autocorrelação para todas as

blendas apresentaram uma dependência da composição e intermediárias aos

polissacarídeos puros. Assim, o decaimento da função de autocorrelação foi

dependente da composição do alginato de sódio e da pectina na blenda na seguinte

ordem: P > AS/P30/70 > AS/P50/50 > AS/P70/30 > AS em ambas as soluções salina.

O mesmo comportamento foi observado para soluções preparadas a temperatura

ambiente para as duas soluções salinas (dados não mostrados).

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,1 1 10 100 1000 10

Amplitude (unidades arbitrárias)

(nm)

(A)

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,1 1 10 100 1000 10

Amplitude (unidades arbitrárias)

(nm)

Figura 22 - Amplitude versus raio hidrodinâmico (R

) para as soluções de

alginato (○), pectina (•) e suas blendas AS/P 50/50 (◊) e AS/P 70/30 (□)

preparadas em NaCl (A) e KCl (B) a 80ºC. Medidas realizadas a 25

C e θ=90

obtida pelo método CONTIN.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 83

É claramente evidenciado a presença de dois modos de relaxação nas

soluções das blendas preparadas em NaCl e KCl (Figura 22 A e B). Os dois modos de

relaxação observados nas blendas é a superposição dos modos de relaxação

apresentado para os polissacarídeos puros e também são dependentes da composição.

Esses resultados corroboram com os obtidos em viscosimetria, com as blendas

apresentando propriedades intermediárias aos polissacarídeos puros.

O estudo de DLS da blenda de caseinato de sódio/xantana

[165]

mostrou que

os modos de relaxação das blendas é uma superposição dos modos das soluções dos

biopolímeros puros e concluíram que não existe interação entre xantana e caseinato de

sódio na variação da concentração estudada. Assim, nenhum efeito sinérgico foi

apresentado para a blenda alginato de sódio/pectina após 24h de agitação a

temperatura ambiente.

A Figura 23A mostra o R

do modo rápido versus a composição de alginato

na presença do NaCl e KCl em diferentes temperaturas de preparação. Em ambas as

temperatura de preparação das soluções, o valor do R

das blendas foi intermediários e

dependentes do comportamento dos polissacarídeos puros.

O R

relacionado ao modo lento (Figura 23 B) das soluções preparadas a

temperatura ambiente aumentaram com o aumento do conteúdo de alginato na blenda,

sendo maiores em NaCl do que em KCl. Após o aquecimento da solução, o mesmo

comportamento foi observado, no entanto, em solução de KCl o R

foi constante para

todas as blendas. Esse efeito pode ser causado devido à ausência de agregados no

alginato, desta maneira, apenas os agregados da pectina são observados.

Nenhum efeito sinérgico foi observado para as blendas em ambas as

soluções salinas preparadas a 80 ºC com apenas um efeito dependente da composição

dos polissacarídeos.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 84

00,20,40,60,81

(nm)

Composição Alginato (%)

(A)

100

200

300

400

500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

(nm)

Composição Alginato (%)

(B)

Figura 23 – R

sem a dependência angular para o modo rápido (A) e para o modo

lento (B) versus composição do alginato das soluções poliméricas preparadas em

diferentes soluções salinas e temperaturas: NaCl 0,1 mol.L

-1

(•) e KCl 0,1 mol.L

-1

(♦) à temperatura ambiente e NaCl (○) e KCl à 80ºC(◊) .

4.6. Comportamento Reológico: efeito da concentração dos polissacarídeos e da

blenda alginatode sódio/ pectina.

O interesse pelo estudo de solução de polissacarídeos tem contribuído

significativamente sobre o comportamento não-Newtoniano e classificação das

soluções formadas por esses polímeros. A principal razão para estes, está na

possibilidade de aplicar os polissacarídeos em numerosos processos industriais na

produção na área alimentícia, em cosméticos e mais recentemente, a utilização como

suportes para crescimento de células e na liberação controlada de princípios ativos

(fármacos, nutrientes, etc).

Capítulo 4 – Resultados e discussões 85

A viscosidade de polissacarídeos pode ser afetada de forma significativa

por variáveis como a tensão de cisalhamento, temperatura, pressão e tempo de

cisalhamento. Para fluídos Newtonianos, a temperatura e pressão constantes, a

viscosidade varia com a taxa de cisalhamento. Para muito fluídos não-Newtonianos, a

viscosidade diminui com o aumento da taxa de cisalhamento, comportamento

conhecido como pseudoplasticidade.

Os reogramas das soluções de alginato de sódio e pectina na concentração

20g/L são mostrados na Figura 24. Ambos os polissacarídeos apresentaram

comportamento não-Newtoniano com curvas similares obtidas para as concentrações

de 30 e 40 g/L, entretanto, a baixa concentração (10g/L) para pectina (dados não

mostrados) um comportamento Newtoniano foi observado. Tal comportamento é

geralmente observado para soluções de polissacarídeos a baixas concentrações ou

baixa massa molar. Entretanto, tornam-se não newtoniano à medida que aumenta a

concentração ou a massa molar

[166, 167]

devido a dois fatores: a uma organização mais

entrelaçada das cadeias poliméricas e as interações intermoleculares, como ligações de

hidrogênio e no caso da pectina, também ligações hidrofóbicas.

0,01

0,1

0,01 0,1 1 10 100 1000 10

η (Pas)

γ (1/s)

Figura 24 – Efeito da taxa de cisalhamento sobre a viscosidade para alginato de

sódio () e pectina (○).

Capítulo 4 – Resultados e discussões 86

Os parâmetros do comportamento de fluxo (n e K) foram obtidos a partir do

gráfico de tensão de cisalhamento versus taxa de cisalhamento, mostrado na Figura 25,

usando o modelo da lei da potência (Equação10) para as diferentes concentrações de

alginato de sódio e pectina que são apresentados abaixo na Tabela 7. De acordo com o

modelo, um comportamento pseudoplástico ocorre quando n < 1.

100

0 20 40 60 80 100 120 140

τ [Pa]

[1/s]

(a)

100

0 500 1000 1500 2000

τ [Pa]

γ [1/s]

(b)

Figura 25 – Reogramas das soluções de (a) alginato de sódio e (b) pectina na

concentração 20g/L e temperatura 25ºC.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 87

Os coeficientes de correlação para todas as concentrações são maiores que

0,99. O alginato de sódio e pectina a 25,0±0,5 ºC exibeu um comportamento

pseudoplástico definido pelo valor de n menor que 1 para todas as concentrações. O

caráter pseudoplástico e o correspondente aumento da viscosidade com o aumento da

concentração foram atribuídos ao entrelaçamento das cadeias e as interação

intermoleculares, seguido da diminuição das mesmas com o aumento da taxa de

cisalhamento. Estudo do comportamento de solução de pectina na concentração 10g/L

apresentou um comportamento próximo ao Newtoniano com valor de n = 0,96

[73]

. Esse

comportamento é observado para polissacarídeos com a diminuição da concentração

polimérica e neste estudo, a pectina apresentou um valor de n de 0,91.

Como esperado, os valores de K aumentaram com a concentração dos

polissacarídeos. Marcotte e colaboradores observaram o mesmo comportamento no

estudo com pectina.

[73]

Comparativamente, os valores de K são maiores para o alginato

de sódio e menores para pectina na faixa de concentrações estudadas, devido a

diferença no grau de ionização das cadeias dos polissacarídeos, promovendo o

aumento das interações intra e inter-molecular das cadeias além do alginato apresentar

maior massa molar que pectina.

Tabela 7 – Parâmetros do modelo da lei das potências para alginato de sódio e

pectina em diferentes concentrações.

Polissacarídeo

(g/L)

n (-) K (Pa s

) R

AS (10 g/L)

0,753±0,001 1,331±0,005

0,996

AS (20 g/L)

0,704±0,003 4,410±0,004

0,995

AS (30 g/L)

0,641±0,005 9,772±0,001

0,994

AS (40 g/L)

0,582±0,004 18,201±0,003

0,996

P (10 g/L)

0,911±0,002 0,042±0,001

0,997

P (20 g/L)

0.862±0,004 0,243±0,02

0,993

P (30 g/L)

0,813±0,001 1,131±0,003

0,995

P (40 g/L)

0,781±0,003 5,332±0,003

0,992

Parâmetros da lei das potências: K coeficiente de consistência; n índice de comportamento de fluxo; ± desvio

padrão dos valores indicados. Número de replicata, 2.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 88

As Figura 26 (a) e (b) mostram que as blendas AS/P (20g/L) apresentaram

valores de n e K intermediários aos polissacarídeos puros e todas apresentaram

comportamento não-newtoniano e pseudoplástico de acordo com a diminuição da

viscosidade com o aumento da taxa e cisalhamento (dados não mostrados).

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Fração de pectina (%)

(a)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

K(Pa s

)

Fração de pectina (%)

(b)

Figura 26 – Efeito da composição das blendas sobre o índice de comportamento

de fluxo (a) e o coeficiente de consistência (b) a 25ºC.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 89

O mesmo comportamento foi observado por Gómez-Díaz e

colaboradores

[168]

que concluíram que as blendas de alginato de sódio e carboximetil

celulose apresentaram comportamento pseudoplástico como nos polímeros puros.

Esses resultados sugerem interação entre os dois polissacarídeos,

apresentando comportamento intermediário aos polímeros puros, também observados

nos experimentos de viscosimetria e DLS.

4.7. Efeito da concentração dos polissacarídeos, da adição de sal e da mistura de

alginato de sódio/ pectina: reologia dinâmica.

O efeito da concentração dos polissacarídeos nos valores dos módulos G´e

G´´ está representado na Figura 27 para alginato de sódio e na Figura 28 para pectina.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 90

0,0001

0,001

0,01

0,1

100

1000

0,01 0,1 1 10 100

G'(Pa)

ω (rad/s)

(a)

0,01

0,1

100

1000

0,01 0,1 1 10 100

G" (Pa)

ω (rad/s)

(b)

Figura 27 – Evolução dos módulos de perda (G´) (a) e de estoque (G´´) (b) em

função da freqüência para diferentes concentrações 10 (●); 20 (■); 30 (d) e 40

(S) (g/L) de alginato de sódio.

O módulo G´e G´´ para os polissacarídeos são dependentes da freqüência,

com valores de G´´>G´, caracterizando um comportamento viscoso e dependente da

concentração, com módulos maiores a altas concentrações (40g/L) devido a

aproximação das cadeias, promovendo o aumento das associações intermoleculares. O

aumento da concentração polimérica do AS e P, apresentou um comportamento mais

pseudoplástico devido a essas associações.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 91

0,0001

0,001

0,01

0,1

100

1000

0,01 0,1 1 10 100

G' (Pa)

ω (rad/s)

(a)

0,001

0,01

0,1

100

1000

0,01 0,1 1 10 100

G" (Pa)

ω(rad/s)

(b)

Figura 28 - Evolução dos módulos de perda (G´) (a) e de estoque (G´´) (b) em

função da freqüência para diferentes concentrações 10 (●); 20 (■); 30 (d) e 40

(S) (g/L) de pectina.

O mesmo comportamento foi observado para outros polímeros com o

aumento da concentração.

[169, 170]

Para pectina o módulo G´ aparece apenas nas

concentrações de 30 e 40 (g/L) e não foi observado comportamento de formação de gel

(G´>G´´) em toda a faixa de concentração estudada. O efeito do sal (NaCl) com ou

sem a adição de NaEDTA como agente complexante, nas propriedades viscoelásticas

do alginato de sódio e da pectina (Figura 29) foram investigadas.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 92

0,0001

0,001

0,01

0,1

100

0,01 0,1 1 10 100

G' G'' (Pa)

ω (rad/s)

(a)

0,0001

0,001

0,01

0,1

100

0,01 0,1 1 10 100

G' G'' (Pa)

ω(rad/s)

(b)

Figura 29 – Evolução dos módulos de perda G´(símbolos abertos) e de estoque

G´´ (símbolos fechados) para o alginato de sódio (a) e pectina (b) 20g/L em

diferentes solventes: (○) (●) água, (□) (■) NaCl 0,1 mol.L

-1

e (∆) (S) NaCl 0,1

mol.L

-1

e 1mmol.L

-1

NaEDTA.

Para ambos os polissacarídeos, G´´ foi sempre maior que G´ em toda a faixa

de freqüência estudada, caracterizando um comportamento viscoso do sistema.

A adição de NaCl 0,1 mol.L

-1

influenciou ligeiramente o comportamento de

G´ e G´´ para o alginato de sódio e de G´´ para a pectina (Figura 29 a e b). Por outro

lado, um aumento de G´´ e o aparecimento de G’ foi observado para a pectina na

Capítulo 4 – Resultados e discussões 93

presença de NaCl 0,1 mol.L

-1

com 1mmol.L

-1

de NaEDTA. Esse resultado pode estar

relacionado o aumento das interações intermoleculares, promovida pelo íon EDTA

também observado com o aumento do R

do modo de relaxação lento em

experimentos de DLS e viscosimetria.

A Figura 30 (a) e (b) mostra o comportamento da viscosidade dinâmica em

diferentes soluções para o alginato de sódio e a pectina, respectivamente. Na

concentração de polímero estudado (20g/L) as ligações hidrogênio formadas entre as

cadeias de alginato e também da pectina diminuiu ligeiramente com a adição de NaCl

0,1 mol.L

-1

, resultado do efeito de blindagem pelos íons Na

. Contudo, alginato de

sódio em solução salina com 1mmol.L

-1

de NaEDTA apresentou uma diminuição na

η* e nos módulos G´ e G´´ provavelmente relacionado com a complexação de cátions

divalentes, como o cálcio pelo NaEDTA. No caso da solução de pectina o aumento da

η* e dos módulos G´ e G´´ que pode estar relacionada à participação dos íons EDTA

na formação de ligações de hidrogênio intermoleculares das cadeias de pectina

promovendo múltiplas associações intermoleculares e consequentemente aumentando

a η* . O mesmo comportamento foi observado para soluções diluídas de alginato de

sódio e pectina no experimento de viscosimetria e espalhamento de luz dinâmico.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 94

0,1

0,1 1 10 100

∗

(Pas)

ω(rad/s)

(a)

0,01

0,1

0,1 1 10 100

∗

(Pas)

ω (rad/s)

(b)

Figura 30 – Viscosidade dinâmica (η*) em função da taxa de cisalhamento em

diferentes soluções: (●) água, (■) NaCl 0,1 mol.L

-1

e (S) NaCl 0,1 mol.L

-1

NaEDTA 1mmol.L

-1

para solução (20g/L) de alginato de sódio (a) e pectina (b).

As blendas de alginato de sódio e pectina na concentração 20 g/L

apresentaram o mesmo comportamento que os polímeros puros como observado na

Figura 31 (a) e (b), sugerindo interação entre estes polissacarídeos como observado

nos experimentos anteriores. As blendas não apresentaram a formação de gel nas

Capítulo 4 – Resultados e discussões 95

condições estudadas, com predomínio de G´´ e dependência com relação a freqüência.

O módulo G´ aparece apenas para soluções de alginato de sódio e nas blendas com

maior proporção do mesmo, ou seja, com 50 e 70 % (m/m) de alginato de sódio

(Figura 31 a).

0,0001

0,001

0,01

0,1

100

1000

0,01 0,1 1 10 100

G' (Pa)

ω (rad/s)

(a)

0,001

0,01

0,1

100

1000

0,01 0,1 1 10 100

G'' (Pa)

ω(rad/s)

(b)

Figura 31 - Módulo de estoque (G´) (a) e módulo de perda (G´´) (b) em função da

freqüência para alginato de sódio (○), pectina (S) e suas blendas AS/P 70/30 (),

AS/P 50/50 (□) e AS/P 30/70 (●) em solução aquosa (20 g/L).

Capítulo 4 – Resultados e discussões 96

A Figura 31 (b) mostra ainda que os valores de G´´ para as blendas são

intermediários aos polímeros puros e dependentes da proporção alginato de

sódio/pectina.

Nenhuma das blendas apresenta efeito sinérgico, ou seja, apenas observado

um efeito de adição das propriedades reológicas dependentes da proporção dos

polímeros puros.

4.7.1. Efeito do agente reticulante EDC: propriedades viscoelásticas.

Nessa etapa do trabalho através da reologia dinâmica foram obtidas

informações preliminares sobre o processo de reticulação da pectina e nas blendas de

alginato de sódio/pectina. Os parâmetros reológicos de soluções reticuladas de

alginato de sódio e pectina foram intensamente estudados com cátions Ca

responsáveis pelo modelo “egg-box”, discutido anteriormente. No entanto, estudos

reológicos da pectina, do alginato de sódio e das blendas AS/P na presença de EDC

como agente reticulante ainda não foi relatado na literatura.

Tradicionalmente, dois métodos são utilizados para determinar o ponto gel.

O primeiro é a determinação do ponto gel através da intersecção entre G´e G´´ e o

segundo, de acordo com Winter e colaboradores

[171-173]

o ponto gel é definido onde a

razão G´/G´´ é independente da freqüência.

O critério utilizado neste estudo para determinar o ponto gel foi o tempo

necessário para que G´e G´´ se igualassem, em uma dada freqüência.

[130, 131]

verdade, a igualdade de G’ e G’’ não deve ser considerada como uma propriedade

universal do ponto gel, pois o tempo necessário para que a intersecção de G´ e G´´

ocorra pode ser muito próximo, mas não idêntico ao tempo necessário para que a

transição de fase sol-gel. No entanto, esse critério é simples e vem sendo utilizado por

muitos autores. Deve-se, porém, levar em conta que o momento de interseção de G´ e

G´´ depende da freqüência do experimento dinâmico e, portanto, não dever ser usado

como um critério absoluto para a determinação do ponto gel.

[130, 131]

Capítulo 4 – Resultados e discussões 97

Nas Figura 32 e na Figura 33 são apresentadas as curvas que representam a

evolução de G´e G´´(a uma freqüência constante) em função do tempo de gelificação

na presença de 25mmol.L

-1

de EDC para pectina e blendas AS/P 10/90; AS/P 20/80 e

AS/P 30/70, respectivamente. Para todas as soluções, no início do processo de

gelificação, o módulo de perda foi maior que o módulo de armazenamento, G´´>G´,

caracterizando um comportamento viscoso do sistema. Com a evolução do tempo, G´ e

G´´ aumentaram, como conseqüência do aumento do número de zonas de junção. Em

um determinado período de tempo, G´ aumentou mais acentuadamente do que o G´´, e

após a interseção das duas curvas, G´ passou a exceder G´´.

0,01

0,1

100

01 10

2 10

3 10

4 10

5 10

G' G'' (Pa)

Tempo (s)

(A)

0,1

100

01 10

2 10

3 10

4 10

5 10

G' G'' (Pa)

Tempo (s)

(B)

Figura 32 – Cinética de reticulação para a pectina (A) e blenda AS/P 10/90 (B) na

presença de 25 mmol.L

-1

de EDC, sendo G´ () e G´´ (○).

Capítulo 4 – Resultados e discussões 98

Após a intersecção de G´ com G´´, G´ continuou tendo uma grande variação

crescente, enquanto que o G´´ também aumentou, mas menos acentuadamente. Este

aumento rápido de G´ representou a formação de zonas de junção entre as cadeias que

formam a rede do gel.

0,1

100

01 10

2 10

3 10

4 10

5 10

G' G'' (Pa)

Tempo (s)

(

0,1

100

01 10

2 10

3 10

4 10

5 10

G' G'' (Pa)

Tempo (s)

(B)

Figura 33 – Cinética de reticulação para a blenda AS/P 20/80 (A) e AS/P 30/70 (B)

na presença de 25 mmol.L

-1

de EDC, sendo G´ () e G´´ (○).

Ainda na Figura 32 e na Figura 33, observou-se que à medida que

aumentou a quantidade de alginato de sódio na blenda, o tempo para a formação do gel

aumentou. O ponto gel é definido como o momento da reação quando uma rede

Capítulo 4 – Resultados e discussões 99

polimérica é primeiramente formada. No ponto gel ocorre a gelificação, isto é, a

viscosidade do sistema cresce exponencialmente tendendo ao infinito.

A Figura 32 mostra a intersecção do G´com o G´´ e os valores do ponto gel

da pectina e da blenda AS/P 10/90 aumentou de 1,8×10

para 2,3×10

segundos. Para

as blendas AS/P 20/80 e AS/P 30/70 (Figura 33) o valor do ponto gel se deslocou para

um período de tempo maior: 2,6×10

e 3,5×10

segundos, respectivamente.

A gelificação foi estudada apenas para pectina e nas blendas AS/P nas

proporções 90/10; 80/20 e 70/30, a partir de 30% de alginato de sódio na blenda não

foram observados no tempo de análise nenhuma gelificação. O gel de pectina e as

blendas especificadas são transparentes e homogêneos.

Após um período de 12 horas os géis de pectina e das blendas AS/P citadas

acima (Figura 34 e Figura 35) apresentaram domínio elástico (G´>G´´) em toda a faixa

de freqüência estudada exceto para a blenda AS/P 30/70 que próximo a 10 rad/s

apresentou domínio de G´´. Isso pode estar relacionado a diminuição da proporção de

pectina na blenda, indicando que o alginato não apresentou a formação de ligações

cruzadas no período de tempo estudado (12h), originando géis com interações mais

fracas.

0,1

100

0,1 1 10 100

G' G''(Pa)

ω (rad/s)

Figura 34 – Evolução do G´ (•) e G´´(ο) da solução de pectina e G´ (■) e G´´ (□) da

solução A/P 10/90 após adição do agente reticulante EDC.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 100

Ao comparar a pectina antes (Figura 29) e após a reticulação Figura 32 (A)

observou-se a presença do módulo G´na segunda e uma pequena dependência em

relação à freqüência, indicando que a dinâmica do sistema tornou-se mais lenta devido

à reticulação química. Outro aspecto que indica a formação de ligações covalentes

(reticulação) é o fato do caráter viscoso do sistema (G´´) ser bem menor que o caráter

elástico (G´).

No caso da pectina, os módulos G´e G´´ são maiores e a dependência da

freqüência é bem menor do que nas blendas. Com a adição de 10%, 20% e 30% (v/v)

de alginato de sódio (Figura 34 e Figura 35), os módulos diminuem para valores

menores quando comparados com a pectina e uma maior dependência em relação à

freqüência foi observada.

0,1

100

0,1 1 10 100

G' G'' (Pa)

ω(rad/s)

Figura 35 - Evolução do G´ (•) e G´´(ο) da solução A/P 20/80 e G´ (■) e G´´ (□) da

solução A/P 30/70 após adição do agente reticulante EDC.

O gel formado com solução de pectina apresenta maior consistência em

relação às blendas. O aumento da quantidade de alginato de sódio nas blendas diminui

as propriedades viscoelásticas das soluções como pode ser observado na Figura 36.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 101

0,1

100

1000

0,1 1 10 100

η* (Pas)

ω (rad/s)

Figura 36 – Viscosidade dinâmica (η*) para solução de pectina (•) e para as

blendas A/P: 10/90(ο); 20/80 (■) e 30/70 (□) reticuladas com EDC.

Em estudos anteriores

[115]

, o agente reticulante EDC foi responsável pela

formação de anidrido ácido entre dois grupos carboxílicos pertencentes à mesma ou a

diferentes cadeias. O anidrido ácido pode rapidamente reagir com grupos hidroxilas

dos polissacarídeos originando ligações éster. Essa reação depende extremamente de

um valor de pH da solução na faixa 3,5-4,5. A valores de pH abaixo de 3,5 ocorre a

diminuição da dissociação dos grupos carboxílicos, sugerindo que prótons e grupos

carboxílicos ionizáveis são necessários para que a reação com o EDC ocorra. Abaixo é

mostrado o mecanismo do EDC com ácidos carboxílicos em solução aquosa (Figura

37). A menos que ácido carboxílico não esteja presente na solução, 1 será hidrolisado

pela água originando o correspondente derivado de uréia 2. O composto 1 pode reagir

com um grupo carboxíla para formar o composto 3 (O-acilisouréia). Como resultado

da reprotonação do sítio da base de Schiff, 3 se transformará em um carbocátion 4,

seguido pelo ataque de várias bases presentes no sistema aquoso. Case nenhum

nucleófilo esteja presente, 4 se transformará no correspondente derivado de uréia 2

pela reação com a água. Desde que um grupo carboxila ionizado é uma base forte, ele

reagirá com 4 para produzir o anidrido carboxílico 5, que é muito instável em solução

Capítulo 4 – Resultados e discussões 102

e ao encontrar um grupo hidroxila, formará uma ligação éster 6, que atua como ligação

cruzada entre as cadeias de polissacarídeos contendo grupos carboxilato e hidroxila.

NCNR

CO CR

NCNR

COR

Ausência de base

Carbocátion

Derivado de Uréia

O-acilisouréia

Anidrido carboxílico

EDC

Derivado de Uréia

Figura 37 - Representação esquemática do mecanismo do EDC em solução

aquosa.

A diminuição das propriedades viscoelásticas sugere que a reticulação diminui

com o aumento da quantidade de alginato de sódio nas blendas. Esse comportamento

pode ser devido a diversos fatores como, por exemplo, a facilidade da perda da

atividade do EDC em solução aquosa

[111, 174, 175]

, como observado no esquema anterior,

a diminuição do pH da solução e a competição dos polissacarídeos pelo EDC.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 103

A diminuição do pH para um valor entre 3,5-4,0 em solução de alginato de

sódio em água deionizada na concentração de 20g/L (ao redor de pH 6,7), é

extremamente difícil evitar a formação de ácido algínico (insolúvel em água) que

promove a protonação dos grupos carboxílicos, dificultando consequentemente à

reação de reticulação na presença do EDC. Na Figura 38 mostra o espectro de

infravermelho do filme de alginato reticulado obtido após o controle do pH entre 4-4,5

da solução de alginato de sódio e adição de 25 mmol.L

-1

de EDC.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Absorbância

Número de Onda (cm

-1

)

1750 cm

-1

1700 cm

-1

Figura 38 – Espectro de infravermelho do filme de alginato reticulado com EDC

em solução.

O espectro indica a formação de ligação éster entre grupos ácido

carboxílicos e grupos hidroxilas pertencentes a mesma ou diferentes cadeias e também

a formação de ácido algínico comprovado pela presença da banda em 1750 cm

-1

Além disso, o aumento gradual do conteúdo de alginato de sódio na solução

pode ter promovido uma competição entre os grupos carboxilato da pectina e do

alginato de sódio, diminuindo assim a eficiência da reticulação.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 104

4.8. Caracterização físico-química de filmes e matrizes porosas não reticulados

4.8.1. Espectroscopia de infravermelho dos filmes

A Figura 39 mostra os gráficos de infravermelho da pectina, do alginato de

sódio e blendas AS/P.

Entre as principais bandas relacionadas com a pectina pura estão as

deformações O-H na região de 3600-3200 cm

-1

, uma banda bastante intensa na região

entre 1730-1760 cm

-1

associada a deformação de C=O de éster e entre 1600-1630 cm

-1

e 1405 cm

-1

relacionadas a deformação assimétrica e simétrica de carboxílatos.

[176, 177]

Outra banda de menor intensidade é a deformação angular de C-H a 1380 cm

-1

. Para o

alginato de sódio puro as principais bandas ocorrem a 3500 cm

-1

relacionadas a

deformações O-H e as deformações assimétricas e simétricas em 1601 e 1413

relacionadas a grupos carboxílatos.

[178]

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Transmitância

Numero de Onda (cm

-1

)

AS/P 70/30

AS/P 50/50

AS/P 30/70

Figura 39 - Espectro de infravermelho de filmes de alginato (AS), pectina (P) e

blendas AS/P.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 105

Os espectros das blendas de AS/P apresentaram bandas típicas dos

componentes puros com intensidade proporcional a quantidade dos polissacarídeos nas

blendas. O alargamento e o deslocamento da banda de O-H para menor número de

onda e um pequeno deslocamento da banda de deformação simétrica de COO

a 1416

-1

no alginato de sódio para 1414, 1409 e 1407 cm

-1

nas blendas AS/P 70/30, AS/P

50/50 e AS/P 30/70, respectivamente, sugerem interação parcial entre os componentes.

Esses resultados sugerem a formação de ligação de hidrogênio entre grupos hidroxilas

presentes em ambos os polissacarídeos, de maneira similar nas blendas de alginato

com PEO.

[179]

Essas blendas de alginato de sódio com o poli (óxido etileno) (PEO)

apresentaram variação no deslocamento e na intensidade nas bandas de O-H e C-O-C,

responsáveis pela formação de ligação hidrogênio entre os átomos de hidrogênios de

grupos éter do PEO e grupos hidroxilas do alginato.

Nesse caso, blendas de pectina e alginato não apresentaram mudanças

significativas de deslocamento de bandas ou formação de uma nova ligação, o que era

esperado, devido o alginato apresentar grande proporção de grupos manurônicos e a

pectina, baixo grau de esterificação. Estudos realizados a partir de géis da mistura de

alginato e pectina, obtidos a pH abaixo de 4, verificaram que suas características são

altamente dependentes da estrutura química dos polissacarídeos. Em geral, um gel

mais forte é obtido da mistura de pectina com alto grau de esterificação e alginato de

sódio com grande quantidade de unidades gulurônicas, enquanto que géis fracos são

obtidos de alginato de sódio com grande quantidade de unidades manurônicas.

[54]

4.8.2. Termogravimetria (TG)

A Figura 40 (a) e (b) mostra as curvas TG e DTG, respectivamente para os

filmes de alginato de sódio, pectina e blendas AS/P.

Na curva TG é observado dois estágios de perda de massa para todos os

filmes, sendo o primeiro estágio de perda de massa, geralmente em torno de 100-

120ºC, relacionado à perda de água nas amostras e não será analisado neste estudo. O

Capítulo 4 – Resultados e discussões 106

segundo estágio, está relacionado a degradação dos componentes dos filmes, que pode

ser melhor visualizado nas curvas DTG.

De acordo com as curvas DTG, os filmes de pectina e da blenda AS/P 30/70

apresentam apenas um estágio de degradação, enquanto para o alginato de sódio e as

demais blendas, dois estágios de degradação são observados.

100 200 300 400 500

0,0

100

Perda de Massa (%)

Temperatura (ºC)

AS/P 70/30

AS/P 50/50

AS/P 30/70

(a)

0 100 200 300 400 500

DTG

Temperatura ºC

% Pectina

100%

70%

50%

30%

(b)

Figura 40 - Curvas TG (a) e DTG (b) para os filmes de alginato de sódio, pectina

e blendas AS/P.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 107

Isso sugere que o alginato, a pectina e suas blendas apresentam mecanismos

de degradação diferentes e no caso das blendas, esse mecanismo depende da sua

composição, como observado com a presença de dois estágios de degradação nas

blendas com maior proporção de alginato.

A Tabela 8 apresenta os valores da temperatura de máxima velocidade de

degradação e a perda de massa em cada estágio de degradação.

Tabela 8 - Parâmetros termogravimétricos referentes aos filmes formados de

alginato de sódio, pectina e blendas AS/P.

Segundo Estágio Terceiro Estágio

AS/P

T (ºC)

(a)

% m

(b)

T (ºC)

(a)

% m

(b)

% Resíduo a 500ºC

100/0 240 39,34 258 19,30 33,14

70/30 243 45,45 266 13,24 39,43

50/50 245 50,23 270 14,65 42,04

30/70 249 56,14 - - 37,25

0/100 253 60,30 - - 35,11

(a)

Temperatura de máxima velocidade de degradação (ºC).

(b)

Perda de massa em cada estágio de degradação (%).

Quanto aos valores de temperatura de máxima velocidade de degradação,

não se observou uma diferença signifcativa entre os valores do alginato e da pectina,

apenas uma tendência no aumento da estabilidade térmica, à medida que aumenta da

quantidade de pectina na blenda. Quanto aos valores de perda de massa, o alginato de

sódio e as blendas com maior proporção do mesmo, a perda de massa é maior no

primeiro estágio de degradação. Por exemplo, o alginato de sódio apresentou um valor

de 39,34 % de perda de massa, muito próximo do valor observado também por

Zahuriaan e colaboradores

[180]

. Além disso, foi observada uma maior massa residual a

500ºC para as blendas. Estes resíduos (em média 37- 42%) podem ser atribuídos à

formação de espécies que contém sódio, como Na

e Na

O formados durante a

degradação similar ao que ocorrem com a carboximetilcelulose de sódio

[180]

e ácido

hialurônico

[181]

Capítulo 4 – Resultados e discussões 108

4.8.3. Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)

Os polissacarídeos são macromoléculas bastante complexas apresentando

estruturas químicas dependentes da fonte e método de extração que por sua vez

influenciam suas propriedades físico-químicas e interações com outros polímeros.

Um dos métodos utilizados para estimar a miscibilidade polímero-polímero

é a determinação da Tg

da blenda, comparada as dos polímeros puros

[61]

. Para que

ocorra a completa interação entre os polímeros, as cadeias devem se interpenetrar,

formando um sistema homogêneo que vai adquirir mobilidade instantânea, a uma

temperatura intermediária à Tg dos polímeros puros

[62]

A Tabela 9 apresenta os valores de transição vítrea para o alginato de sódio,

a pectina e blendas AS/P. Como mostrado na Tabela 9, a Tg para os filmes de alginato

de sódio foi de 131 °C, um valor maior que o encontrado por Miura e

colaboradores

[57]

. Para pectina, o valor de Tg encontrado foi de 40 °C muito próximo

do valor encontrado por Iijima e colaboradores

[63]

de aproximadamente 35°C para

pectinas de mesmo grau de esterificação. A miscibilidade entre alginato de sódio e

pectina foi confirmada pela presença de uma única Tg e intermediária a Tg dos

polissacarídeos puros nas blendas.

Tabela 9 - Temperatura de transição vítrea (Tg) de filmes de alginato de sódio,

pectina e blendas AS/P.

AS/P Tg (°C)

100/0 131

70/30 93

50/50 73

30/70 54

100/0 40

Os valores da Tg das blendas apresentaram-se em ordem crescente à

medida que aumenta a quantidade de alginato de sódio. Os valores das Tg das blendas

Capítulo 4 – Resultados e discussões 109

foram obtidos a partir da Tg dos polímeros puros determinados por DSC e com o

auxílio da equação de Fox (Equação 1).

Os valores da Tg das blendas AS/P foram estimados a partir da Tg dos

polissacarídeos puros determinados por DSC e pela equação de Fox. Os resultados

experimentais estão apresentados na Figura 41 e estão de acordo com os determinados

via DSC.

O alginato apresentou maior Tg que a pectina e suas blendas, sendo que

aumentando a quantidade de alginato nas mesmas, promove um aumento das suas Tg.

Esse resultado está de acordo com os obtidos em viscosimetria, reologia e DLS, com o

alginato apresentando maior volume hidrodinâmico ([η]), bem como, valores maiores

de G″ e η∗ e R

em solução aquosa, relacionado com sua massa molar e estrutura

totalmente ionizada (grupos carboxílatos) em comparação com a pectina.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

310

320

330

340

350

360

370

380

390

400

410

Tg (K)

(

Pectina

)

Comportamento teórico-Equação de Fox

Dados experimentais

Figura 41 - Comparação do modelo de Fox aplicado aos filmes de alginato,

pectina e as blendas AS/P, em função da fração de pectina (w).

4.8.4. Ensaios Mecânicos

As propriedades mecânicas dos filmes de alginato, pectina e blendas AS/P

foram comparadas entre si e com diferentes umidades relativas, às quais foram

expostos os filmes antes da realização dos ensaios mecânicos. Os valores do módulo

de elasticidade, da tensão máxima e da deformação na ruptura são apresentados na

Capítulo 4 – Resultados e discussões 110

Tabela 10. Para melhor visualização do efeito produzido pelas diferentes proporções

nas blendas e umidade relativa, esses mesmos resultados são apresentados nas três

figuras abaixo.

Tabela 10 - Resultados obtidos para o módulo de Young, deformação na ruptura

e tensão máxima para os filmes de alginato de sódio, pectina e blendas AS/P na

presença de diferentes umidades relativas.

Filme AS/P UR (%)

Módulo de

elasticidade (MPa)

Tensão

máxima (MPa)

Deformação

na ruptura (%)

43 480,9±17 60,0±2,4 6,9±1,2

100/0

75 400,2±16 53,2±1,2 10,2±0,8

43 467,1±11 59,1±3,0 6,0±0,5

70/30

75 380,3±14 50,5±1,5 9,2±1

43 440,2±14 57,1±1,2 5,0±0,4

50/50

75 345,3±16 48,3±1,2 8,3±2,5

43 420,0±18 55,5±1,8 4,0±1,6

30/70

75 318,4±11 47,1±1,4 7,0±1,3

43 392,0±12 54,6±2,4 3,1±1,2

0/100

75 308,1±10 46,8±1,5 4,8±1,4

Os resultados da Tabela 10 e das Figura 42 e Figura 43 mostraram que os

valores de módulo de elasticidade e deformação na ruptura diminuem com o aumento

da quantidade de pectina nas blendas e apresentaram valores intermediários aos

valores de alginato de sódio e pectina e dependentes da proporção dos polímeros puros

em cada blenda. Esse comportamento foi independente da exposição dos filmes a

umidades relativas de 43% ou 75%.

O filme de alginato de sódio exposto à umidade relativa de 43% apresentou

o valor de 480,9±17 para o módulo de elasticidade, enquanto que para a pectina o

valor foi de 392,0±12. Essa diferença na rigidez dos filmes de alginato de sódio em

comparação com os da pectina pode ser explicada pela estrutura mais homogênea das

cadeias do alginato, sem a presença de grupos esterificados ou anexos de açúcares

neutros como acontece na estrutura das cadeias da pectina. Essa organização mais

homogênea da estrutura reflete em uma estrutura global, no estado sólido (no caso,

Capítulo 4 – Resultados e discussões 111

filmes), mais organizado e, portanto mais resistente a tração devido à maior

possibilidade de interações intermoleculares. Esse resultado corrobora com os obtidos

em reologia e viscosimetria, onde o alginato de sódio apresentou maior valor de η∗ e

[η]. Os valores da deformação na ruptura foram 6,9±1,2 para o alginato de sódio e

3,1±1,2 para a pectina, também refletem esse caráter estrutural dos diferentes

polímeros. O valor de deformação na ruptura referente ao alginato de sódio está

próximo ao encontrado por Rhim e colaboradores

[90]

. A tensão máxima apresentou a

mesma tendência que o módulo de elasticidade e a deformação na ruptura, mas com

uma pequena diminuição nos valores com o aumento da quantidade de pectina. As

blendas de AS/P 30/70 e AS/P 50/50 e de pectina pura apresentam-se menos rígidas e

com menor valor em tensão máxima comparada com os filmes de alginato de sódio. O

pequeno aumento no módulo e da tensão máxima das blendas AS/P 30/70 e AS/P

50/50 em relação as propriedades da pectina pode ser devido a ligações de hidrogênio

intermoleculares que ocorrem entre alginato de sódio e pectina. A formação de

ligações de hidrogênio em outros sistemas de polímeros também promoveu o aumento

o módulo de elasticidade e tensão máxima, como por exemplo, para os filmes de PEO

e alginato de sódio

[179]

e para os filmes de poli (acrilamida) /alginato de sódio

[182]

100

200

300

400

500

Módulo de Young (MPa)

Composição de Pectina (%)

UR 43%

UR 75%

03050

100

Figura 42 – Módulo de elasticidade para filmes de alginato de sódio, pectina e

suas blendas.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 112

As propriedades mecânicas do filmes após um período de 21 dias sugerem

que a água atua como plastificante para filmes poliméricos

[183]

. A água atua

aumentando a mobilidade das cadeias poliméricas e sua baixa massa molar permite um

maior aumento na mobilidade molecular de polímeros amorfos e parcialmente

cristalinos, devido ao aumento do volume livre.

[184]

O módulo de elasticidade é uma medida fundamental da rigidez dos filmes,

assim quanto maior o módulo de elasticidade, maior a rigidez do material. Na Figura

42, observou-se que aumentando a umidade relativa de 43% para 75%, todos os filmes

apresentaram diminuição no valor do módulo de elasticidade. Por exemplo, o filme de

pectina apresentou uma diminuição do valor do módulo de elasticidades de 392,0±12

MPa para 308,1±10 MPa, com o aumento da umidade relativa de 43% para 75%,

tornando-se mais flexível. O aumento na flexibilidade de filmes foi observado também

para o amido exposto a alta umidade relativa.

[185]

Deformação na Ruptura (MPa)

Composição de Pectina (%)

UR 43%

UR 75%

100

Figura 43 – Deformação na ruptura para filmes de alginato de sódio, pectina e

suas blendas.

O aumento da umidade relativa influenciou os valores de deformação na

ruptura e tensão máxima para todos os filmes (Figura 43 e Figura 44), devido ao efeito

plastificante da água. De maneira similar, o aumento da umidade relativa reduziu o

Capítulo 4 – Resultados e discussões 113

módulo de elasticidade e tensão máxima, pricipalmente dos filmes de pectina e das

blendas AS/P 70/30 e AS/P 50/50.

Tensão Máxima (MPa)

Composição de Pectina (%)

UR 43%

UR 75%

03050

100

Figura 44 – Tensão máxima obtida para filmes de alginato de sódio, pectina e

suas blendas.

4.8.5. Cinética de Absorção de Água (AA)

A procura por polímeros que ofereçam propriedades importantes para a

manutenção da umidade entre bandagem/lesão, tem aumentado o interesse na

utilização de polímeros de origem natural, devido a sua biocompatibilidade com os

tecidos e não toxicidade e em geral sua maior capacidade de absorção de vapores de

água frente aos polímeros sintéticos. O alginato de sódio tem sido bastante utilizado na

preparação de bandagens e neste trabalho pretende-se a substituição do mesmo por

pectina e que é produzida em abundância no Brasil e que apresenta características

muito similares ao alginato de sódio. Dessa forma analisou-se nesta etapa do trabalho,

a influência da parcial substituição de alginato de sódio por pectina em blendas AS/P

na absorção de vapores de água.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 114

A Figura 45 mostra a porcentagem de absorção de vapores de água em UR

43%. O filme de alginato de sódio a absorção foi mais rápida, provavelmente

provocada pelo seu caráter predominantemente iônico, o equilíbrio foi alcançado após

90 minutos. Para filmes de pectina a absorção foi ligeiramente mais lenta em relação

ao alginato de sódio, com o equilíbrio atingido após 120 minutos. As blendas

apresentaram absorção intermediária e dependente da proporção dos polímeros puros.

O aumento gradual de pectina em filmes de alginato diminui a absorção de vapores de

água passando de 17% para 14% na blenda AS/P 30/70 e 15% para a blenda AS/P

50/50, valores muito próximos entre si.

0 50 100 150 200 250 300

Absorção de Água (%)

Tempo (minutos)

AS/P 70/30

AS/P 50/50

AS/P 30/70

Figura 45 - Curva de absorção de vapores de água para filmes de alginato de

sódio, pectina e blendas AS/P a UR 43%.

O aumento da UR de 43% para 75% na Figura 46, apresentou um aumento

na capacidade de absorção de vapores de água e também no tempo para que o

equilíbrio fosse atingido. O filme de alginato de sódio apresentou maior absorção de

vapores de água em relação ao filme de pectina, pelo motivo discutido acima, e as

blendas apresentam valores intermediários e também dependentes da proporção dos

polímeros puros, como observado em UR 43%.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 115

0 50 100 150 200 250 300

Absorção de Água (%)

Tempo (minutos)

AS/P 70/30

As/P 50/50

As/P 30/70

Figura 46 – Curva de absorção de vapores de água para filmes de alginato de

sódio, pectina e suas blendas a UR 75%.

O aumento da UR influenciou a cinética de absorção de vapores de água

para o alginato de sódio com um aumento de 17% para 47% e para pectina de 13%

para 35%. A mesma tendência foi observada para as blendas, por exemplo, AS/P 30/70

passou de 14% para 37% de absorção de vapores de água.

4.8.6. Microscopia Eletrônica de Varredura

Com o intuito de investigar alterações na morfologia dos filmes devido a

mistura de alginato de sódio e pectina, análises de microscopia eletrônica de varredura,

foram realizadas.

A Figura 47 (a), (b), (c), (d) e (e) apresentam as micrografias da superfície

dos filmes de alginato de sódio, pectina e blendas AS/P 70/30, AS/P 50/50 e AS/P

30/70, respectivamente. A Figura 47 (f) mostra a secção transversal do filme de

alginato de sódio.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 116

(a) (b)

(c ) (d)

(e) (f)

Figura 47 – Morfologia dos filmes de alginato de sódio (a), pectina (b) e blendas

AS/P 70/30 (c), AS/P 50/50 (d), AS/P 30/70 (e) e secção transversal do filme de

alginato de sódio (f).

A superfície dos filmes apresenta-se em geral compactas e sem poros. Nos

filmes de alginato de sódio e pectina alguns pontos brancos estão dispersos na

superfície. Estes pontos brancos foram identificados por espectroscopia de energia

Capítulo 4 – Resultados e discussões 117

dispersiva (EDS) (Figura 48 a e b) como íons sódio cujo pico é mais intenso como

esperado no alginato, além de pequenos domínios dispersos na matriz (pequenos

agregados).

(a)

(b)

Figura 48 - Espectroscopia de energia dispersiva (EDS) de filme de alginato de

sódio (a) e pectina (b).

Nenhuma separação de fase foi observada para as blendas e em geral todas

apresentam superfícies compactas e lisas com pequenos agregados que diminuem

quando a proporção de pectina aumenta na blenda, bem como os pontos brancos,

identificada como íons sódio. A mesmas características apresentadas na superfície são

Capítulo 4 – Resultados e discussões 118

também observadas na secção transversal para todos os filmes como mostrada na

secção transversal de filmes de alginato de sódio.

4.8.7. MEV das matrizes porosas

Estruturas tridimensionais (3-D) de matrizes poliméricas porosas são

utilizadas como suporte para liberação de fármacos, por exemplo, no tratamento de

lesões como queimaduras e ao mesmo tempo permitir o crescimento do tecido

lesionado. Neste último caso, as matrizes devem ter alta porosidade, grande área

superficial, tamanho adequado de poros e a estrutura devem ter os poros altamente

interconectados, além de ser biodegradável e biocompatível. As matrizes foram

obtidas pelo método descrito por Lima na preparação de matrizes de quitosana

[133]

com

as mesmas soluções de alginato e sódio, pectina e das blendas AS/P utilizada na

preparação dos filmes. A preparação de matrizes porosas tem sido obtida por

diferentes métodos, com destaque para o processo de liofilização.

[186, 187]

Uma das

vantagens deste método é obtenção de matrizes com tamanho de poros uniformes,

utilizando apenas água (cristais de gelo) na formação dos poros. As matrizes foram

obtidas via liofilização das soluções aquosas, a partir do congelamento gradativo das

soluções. Os poros formados nas matrizes são provenientes da formação de núcleos de

cristais de gelo na solução durante o congelamento e subseqüente remoção do mesmo

pelo processo de liofilização. O congelamento gradativo foi adotado para permitir uma

cristalização lenta da solução, evitando a formação de cristais de gelo de forma mais

alongada que dependendo do seu tamanho poderia comprometer a estrutura da matriz.

Segundo Zmora e colaboradores

[92]

, ao medir a temperatura durante o processo de

congelamento de soluções de alginato de sódio, o congelamento a -20 ºC mostrou uma

diminuição inicial na temperatura da solução até -10 ºC, seguida de um aumento para -

2ºC, que foi mantido por 40 minutos, seguido por uma diminuição para -20ºC até 100

minutos. O aumento na temperatura de se deve ao fato da taxa de remoção do calor

pelo ar frio do freezer não ser suficientemente rápido em relação à quantidade de calor

liberado durante a cristalização da água (altamente exotérmica). Assim, o aumento da

Capítulo 4 – Resultados e discussões 119

liberação de calor provavelmente provocaria a fusão de pequenos cristais de gelo,

promovendo a formação de grandes poros de formato alongado.

As matrizes são homogêneas, de cor levemente amarelada e resistente,

porém flexíveis. A Figura 49 (a), (b), (c) e (d) mostra a superfície das matrizes porosas

de alginato de sódio, AS/P 70/30, AS/P 50/50 e AS/P 30/70 sendo (e) e (f) a superfície

da matriz de pectina em aumento diferente (aumento de 50 vezes).

(a) (b)

(c ) (d)

(e) (f)

Figura 49 – Morfologia das matrizes porosas de alginato de sódio (a), AS/P 70/30

(b), AS/P 50/50 (c), AS/P 30/70 (d) e pectina (e) (f).

Capítulo 4 – Resultados e discussões 120

As matrizes de pectina apresentaram poros menores (103±14µm)

comparados com as matrizes de alginato de sódio (277±25 µm), enquanto as blendas

apresentaram tamanho dos poros intermediários aos polímeros puros, sendo 232±14,

177±30 e 168±19µm para as matrizes contendo 30%, 50% e 70% de pectina. Além

disso, a matriz porosa de pectina Figura 49 (f) apresentou poros menos interconectados

em relação as matrizes composta da blenda AS/P e do alginato de sódio puro.

A comparação entre a superfície e secção transversal da matriz AS/P 30/70

é mostrada na Figura 50 (a) e (b), respectivamente. A partir da Figura 50 foi observado

a presença de poros na secção transversal e também presentes nas demais matrizes

(morfologia não mostrada).

(a) (b)

Figura 50 – Morfologia da matriz porosa AS/P 30/70 (a) superfície e (b) secção

transversal.

O resultado de MEV indica que a composição polimérica influenciou no

tamanho dos poros das matrizes, que consequentemente influenciará as propriedades

mecânicas e de liberação do fármaco.

4.8.8. Ensaio de compressão

A aplicação das matrizes porosas como sistema de liberação de fármaco e

ao mesmo tempo como curativo para lesões, requerem propriedades mecânicas

adequadas como resistência e ao mesmo tempo flexibilidade para permitir a

Capítulo 4 – Resultados e discussões 121

regeneração do tecido lesionado. A Figura 51 mostra a variação do módulo de

compressão e da tensão máxima em função da composição de pectina.

0,00,20,40,60,81,0

Módulo de compressão (MPa), Tensão Máxima (MPa)

Composição de pectina (%)

Figura 51 – Módulo de compressão () e tensão máxima (•) das matrizes em

função da composição de pectina.

Em geral, com a adição de alginato ocorreu o aumento das propriedades

mecânicas das matrizes porosas, que estão relacionados com os mesmos fatores

discutidos nos filmes. Esse resultado apresentou a mesma tendência nas propriedades

mecânicas observadas nos filmes. Outro fator determinante para as propriedades

mecânicas é a conectividade entre os poros, que aumentou com o acréscimo da

quantidade de alginato de sódio.

As matrizes porosas de alginato de sódio já são utilizadas em uma

variedade de aplicações biomédicas e possuem boas propriedades mecânicas

[92]

. O

módulo de compressão e a tensão máxima apresentaram valores intermediários para as

matrizes porosas formadas a partir das blendas de alginato de sódio/pectina, o que

torna viável a utilização das blendas para fabricação de bandagens compostas com

pectina para redução dos custos do produto final.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 122

4.9. Caracterização físico-química de filmes e matrizes reticulados com CaCl

EDC

Em geral, as propriedades mecânicas e principalmente solubilidades em

água de polissacarídeos hidrofílicos são controladas via processo de reticulação. O

controle da solubilidade em água é de grande interesse tanto na indústria alimentícia e

farmacêutica tanto para a proteção dos alimentos e controle da liberação de fármacos,

como na área de biomateriais que podem ser utilizados tanto na engenharia de tecidos

e também como curativos para lesões proporcionando o crescimento do tecido

lesionado. A diminuição da solubilidade se deve ao fato do processo de reticulação

provocar uma diminuição do volume livre das cadeias poliméricas, devido a formação

de ligações cruzadas entre as mesmas.

A partir dos resultados prévios é possível a preparação de filmes e matrizes

porosas da mistura de alginato de sódio/pectina e dessa forma, a substituição parcial do

alginato de sódio pela pectina garantirão a diminuição dos custos do produto final.

4.9.1. Razão de intumescimento (RI) de filmes reticulados em etanol-água

Durante a etapa do processo de reticulação por imersão de polímeros

solúveis em água é muito importante evitar a sua dissolução do mesmo. Para isso foi

utilizada uma solução contendo um não solvente, neste estudo, o etanol. Em contra

partida, a baixa solubilidade do agente reticulante EDC em etanol

[112, 117]

demanda o

uso de uma quantidade de água adequada para sua manutenção em solução, facilitando

assim a eficiência da reticulação. A RI em função da variação da concentração de

etanol dos filmes de alginato de sódio, pectina e blendas AS/P são mostrados na Figura

52. Uma redução de RI com o aumento da quantidade de etanol na solução foi

observada.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 123

40 50 60 70 80 90 100

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

40 50 60 70 80 90 100

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

40 50 60 70 80 90 100

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

40 50 60 70 80 90 100

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

40 50 60 70 80 90 100

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

RI (g/g)

Concentração de etanol (v/v)

RI (g/g)

Concentração de etanol (v/v)

AS/P 30/70

RI (g/g)

Concentração de etanol (v/v)

AS/P 50/50

RI (g/g)

Concentração de etanol (v/v)

AS/P 70/30

RI (g/g)

Concentração de etanol (v/v)

Figura 52 - Efeito da concentração de etanol sobre a RI de filmes de alginato de

sódio, pectina e blendas AS/P em etanol-água.

O filme de alginato de sódio apresentou menor RI comparativamente a

pectina que apresentou alto grau de intumescimento a 40% de etanol. Este

comportamento está relacionado com a diferença na estrutura dos polissacarídeos, ou

seja, a pectina apresenta estrutura menos organizada. As blendas apresentaram um

comportamento dependente e intermediário ao alginato de sódio e pectina.

Como observado na Figura 52 acima, a dissolução dos filmes no meio pode

ser evitada quando a concentração de etanol na solução foi entre 60-70% (v/v) da

solução, dependendo da composição dos filmes. Os filmes de AS/P 70/30 e de alginato

de sódio apresentaram pequena RI quando os filmes foram colocados em 100% de

etanol. Na literatura, filmes de alginato de sódio e ácido hialurônico

[112, 117]

apresentaram insolúveis na mesma faixa de concentração de etanol. Com base nesse

resultado a concentração de etanol escolhido foi de 60% necessária a reticulação por

Capítulo 4 – Resultados e discussões 124

imersão dos filmes e adotada também para as matrizes porosas sem a dissolução das

estruturas e a precipitação do EDC.

4.9.2. Formação dos filmes e matrizes porosas

A reticulação dos filmes e matrizes porosas foi realizada através de dois

processos de reticulação: o primeiro denominado reticulação por imersão e o segundo

reticulação em solução.

No caso da reticulação com CaCl

(coordenação iônica com íons cálcio), a

adição do sal nas soluções poliméricas provoca um rápido aumento da viscosidade em

solução e formação de um gel não homogêneo. Assim, os filmes e as matrizes

formados a partir desta solução dissolvem-se em poucos minutos em solução

tamponada pH 7,4 (em torno de 15 minutos dependendo da composição). Tendo em

vista este resultado, os filmes e as matrizes porosas foram submetidos ao segundo

processo de reticulação por imersão em solução etanólica contendo CaCl

e não em

água. A utilização do etanol ao invés de água tem como objetivo, evitar a competição

entre dois processos: a dissolução dos polissacarídeos e a reticulação das estruturas

pela formação da reticulação entre as cadeias poliméricas e Ca

2+[188]

. Neste segundo

processo, que será discutido posteriormente, as estruturas tornam-se insolúveis em

solução tamponada e seu tempo de dissolução será discutido nas próximas seções.

Conforme descrito na literatura,

[90, 99, 125]

a reticulação por imersão de filmes de

alginato de sódio com alta concentração de CaCl

induz a uma reticulação rápida na

superfície do filme e, diminuindo em conseqüência, a difusão dos íons cálcio no

interior do mesmo. No caso das matrizes, a reticulação ocorre nas paredes formadas

entre os poros.

A reação de reticulação de polissacarídeos com EDC (formação da ligação

éster entre os grupos carboxilas e grupos hidroxilas inter ou intra-cadeia) em meio

aquoso é extremamente difícil devido a desativação do EDC, observada em muitos

estudos

[111, 115, 174, 175]

. Por este motivo, embora a reticulação das soluções de pectina e

blendas AS/P contendo até 70 % de pectina foram evidenciados em experimento

Capítulo 4 – Resultados e discussões 125

reológicos, os filmes obtidos a partir dessas soluções intumescem rapidamente cerca

de 90% de seu peso em 30 minutos e ao redor de 4h dissolvem-se. Por outro lado, os

filmes obtidos com maior proporção de alginato de sódio e também os filmes de

alginato puros dissolvem-se em aproximadamente 2h. Para o alginato de sódio, além

da desativação do EDC em meio aquoso, a formação de ácido algínico em pH 4

contribui para a diminuição da eficiência da reticulação. No sentido de evitar a

formação do ácido algínico, o melhor pH para o alginato de sódio foi escolhido pH 5.

Assim, os filmes e as matrizes foram submetidos ao segundo processo de reticulação

em solução etanólica (60% v/v) que permite maior estabilidade do EDC em solução,

além de evitar a solubilização das estruturas antes da reticulação. Nessa etapa, a

escolha do melhor valor de pH e concentração da solução etanólica foi essencial para a

eficiência da reticulação.

4.9.3. Espectroscopia no infravermelho

Os espectros de infravermelho dos filmes obtidos após os processos de

reticulação são mostrados nas figuras abaixo.

A Figura 53 mostra o espectro de infravermelho do filme de alginato de

sódio reticulado com cálcio. O espectro mostra diferenças na forma e deslocamento

dos picos. A banda de deformação O-H (3380 cm

-1

) torna-se ligeiramente mais estreita

e com maior intensidade, característico de ligação intramolecular. A banda de

deformação simétrica do COO

em 1420 cm

-1

exibe deslocamento para 1428 cm

-1

diminui de intensidade. Segundo Sartori e colaboradores

[189]

a banda em 1420 cm

-1

específica para ligação iônica e a substituição de íons sódio por cálcio pode alterar a

densidade de carga, massa atômica e o raio ao redor dos grupos carbonila causando o

deslocamento. As bandas na região entre 1150-1000 cm

-1

relacionadas com as

deformações de C-C e C-O apresentaram um pequeno deslocamento para menor

comprimento de onda, indicativo do enfraquecimento dessas ligações devido ao

compartilhamento com os íons cálcio. Para pectina (dados não mostrados), os mesmos

deslocamentos foram observados.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 126

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

1410 cm

-1

Transmitância

Número de Onda (cm

-1

)

Alginato de sódio

Alginato de Sódio Reticulado

1428 cm

-1

Figura 53 – Espectro de infravermelho do filme de alginato de sódio reticulado

com cálcio.

A Figura 54 mostra os espectros das blendas AS/P reticuladas, com

destaque o deslocamento na banda COO

em 1420 cm

-1

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

1426 cm

-1

Número de Onda (cm

-1

)

A/P 50/50

1443 cm

-1

Transmitância

A/P 30/70

A/P 70/30

1428 cm

-1

Figura 54 - Espectro de infravermelho dos filmes reticulados com cálcio das

blendas AS/P em diferentes composições.

A reação de reticulação com EDC foi conduzida a pH 4 para pectina e

blendas AS/P e, para o alginato de sódio a pH 5 para evitar a formação de ácido

algínico, com a diminuição da eficiência da reticulação. A Figura 55 sugere que não

ocorreu a formação de ácido algínico, que apresenta uma banda característica em torno

de 1747cm

-1

Capítulo 4 – Resultados e discussões 127

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Trnasmitância (%)

Número de Onda (cm

-1

)

Alginato de sódio

1609

Alginato de sódio reticulado

1600

1700

Figura 55 – Espectro de infravermelho do filmes de alginato de sódio reticulado

com EDC a pH 5.

Como pode ser observado, a diferença mais significativa nos espectros de

infravermelho dos filmes não reticulados e reticulados do alginato de sódio foi a

presença da banda em 1700 cm

-1

, correspondente a grupos carbonila de ligação

éster

[116]

. A pectina como no alginato de sódio, é um polissacarídeo que possui ambos

os grupos hidroxila e carboxila e como pode ser visto na Figura 56, a pectina também

é reticulada na presença de EDC, apresentando a banda característica de ligação éster.

A formação de ligações cruzadas também foi confirmada em experimento de reologia,

através do aumento do valor do G’ em relação ao G”.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 128

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

1616 cm

-1

Transmitância (%)

Número de Onda (cm

-1

)

Pectina

1750 cm

-1

1700 cm

-1

1750 cm

-1

Pectina reticulada

Figura 56 – Espectro de infravermelho da pectina reticulada com EDC a pH 4.

Similarmente aos componentes puros, as blendas AS/P apresentaram a

banda em 1700 cm

-1

(Figura 57).

Os grupos hidroxila e carboxila presentes na estrutura da pectina e do

alginato de sódio são responsáveis pela reticulação, e para que esta ocorra, é necessária

à formação da ligação éster entre estes grupos. Como descrito na literatura

[115]

, o EDC

promove a formação de anidrido ácido entre dois grupos carboxila pertencentes a

mesma ou diferentes moléculas do polissacarídeo. O anidrido ácido resultante pode

reagir rapidamente com grupos hidroxilas do polissacarídeo, formando a ligação éster.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 129

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

1700cm

-1

Número de Onda (cm

-1

)

A/P 70/30

1700cm

-1

Transmitância

A/P 50/50

1700cm

-1

A/P 30/70

Figura 57 – Espectro de infravermelho das blendas de alginato de sódio/pectina

reticuladas com EDC a pH 4.

Ainda não esta claramente definido se a reação é intra ou intermolecular.

Como o anidrido ácido formado é muito instável a temperatura ambiente e em meio

aquoso, este podera novamente ser hidrolisado ao grupo carboxila original, ou reagir

rapidamente com grupos nucleofílicos como, por exemplo, as hidroxilas formando as

ligações ester ( banda em 1700 cm

-1

). Este mecanismo foi amplamente discutido por

Tomihata e Ikada para os sistemas do poli (ácido acrílico) (PAA) e o poli (ácido

glutâmico) (PGA) reticulados com EDC

[112]

. Estes polímeros ácidos apresentam

apenas grupos carboxila como sítios reativos e o espectro de infravermelho mostraram

a formação de novas bandas em 1050, 1760 e 1820 cm

-1

após a reação com EDC,

característico do anidrido ácido. Estas bandas não foram evidenciadas nos espectros de

infravermelho do alginato de sódio, pectina e blendas AS/P sugerindo que a reação de

reticulação ocorreu via a formação de anidrido ácido, seguido da rápida formação da

ligação éster entre estes e os grupos hidroxila das cadeias do alginato de sódio e/ou

pectina. Além disso, o intermediário anidrido pode ser também instável para

permanecer até as medidas de infravermelho.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 130

4.9.4. Microscopia Eletrônica de Varredura

A Figura 58 mostra a morfologia das superfícies e das secções transversais

dos filmes de composição AS/P 70/30 reticulada com cálcio (Figura 58 a e b) e da

blenda AS/P 50/50 reticulada com EDC (Figura 58 c e d). Os filmes dos

polissacarídeos puros e da composição AS/P 30/70 apresentaram morfologias

similares (dados não mostrados).

(a) (b)

Figura 58 – Micrografia de MEV dos filmes de AS/P 70/30 reticulados com cálcio

(a) e (b) e de AS/P 50/50 reticulados com EDC (c) e (d).

A superfície e secção transversal de ambos os filmes apresentaram

características de um material denso e sem porosidade. No entanto, o filme reticulado

com cálcio não foi homogêneo, apresentando pequenos agregados dispersos na

superfície. Estes agregados estão provavelmente relacionados com microgéis formados

durante o processo de reticulação com cálcio (provavelmente na reticulação realizada

em solução), conforme mostrado pelo espectro de EDS (Figura 59).

Capítulo 4 – Resultados e discussões 131

Figura 59 – Espectro de espectroscopia de energia dispersiva (EDS) do filme de

AS/P 70/30 reticulado com cálcio.

A secção transversal mostrou estruturas homogêneas, mas com aspecto

rígido e características lamelares diferentes do observado para os filmes não

reticulados que apresentaram uma estrutura lisa, compacta e densa para ambos os

filmes.

As matrizes porosas (Figura 60) apresentaram morfologias dependentes de

sua composição e do tipo de agente reticulante utilizado. As Figura 60 (a) (c) (e) e (g)

mostram as superfícies das matrizes porosas de alginato, AS/P 70/30, AS/P 50/50 e

pectina reticuladas com cálcio, enquanto (b), (d), (f) e (h) representam as matrizes

porosas reticuladas com EDC nas mesmas composições anteriores. O tamanho médio

dos poros estimado por MEV é mostrado na Tabela 11.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 132

(a) (b)

(e) (f)

(g) (h)

Figura 60 – Micrografia de MEV das matrizes porosas de alginato, AS/P 70/30,

AS/P 50/50 e pectina reticuladas com cálcio (a, c, e, g) e EDC (b, d, f, h).

Capítulo 4 – Resultados e discussões 133

As matrizes reticuladas com cálcio apresentaram uma diminuição no

tamanho médio dos poros em relação as matrizes não reticuladas, que pode estar

relacionado com a rápida coordenação com íons cálcio durante a reticulação,

reduzindo a mobilidade das cadeias dos polímeros.

Para as matrizes reticuladas com cálcio, o tamanho médio dos poros

obedece a seguinte ordem: P>AS/P 30/70>AS/P 50/50>AS/P 70/30> AS. Em geral, as

matrizes apresentaram poros interconectados exceto a matriz de pectina que

apresentou um grau de conectividade menor entre os poros e maior tamanho de poros.

De acordo com Braccini e colaboradores

[26]

, a pectina exibe associação cadeia-cadeia

com cálcio diferente do alginato que é baseado no modelo “egg-box”. A cavidade

formada através da associação entre as cadeias de pectina é muito grande para

acomodar o cálcio. Os autores propõem um modelo da interação das cadeias da pectina

com cálcio com sítios de coordenação consecutivos e não alternada como no alginato.

Entretanto, a associação não é tão efetiva como no alginato que apresenta sítios

alternados de coordenação com o cálcio. Diminuindo a quantidade de pectina para

70%, as matrizes apresentam melhor conectividade dos poros que a pectina pura.

Tabela 11 - Tamanho médio dos poros das matrizes porosas reticuladas.

Matriz

porosa

Tamanho médio dos

poros matrizes não

reticuladas (µm)

Tamanho médio dos

poros matrizes

reticuladas com CaCl

(µm)

Tamanho médio dos

poros matrizes

reticuladas com EDC

(µm)

AS 277 170 291

A/P 70/30 232 180 307

A/P 50/50 177 187 285

A/P 30/70 168 194 250

P 103 201 209

As matrizes reticuladas com EDC apresentaram tamanho médio dos poros

maior que as matrizes não reticuladas e as reticuladas com cálcio. Aparentemente, a

formação de ligações covalentes com a adição de EDC entre as cadeias dos

Capítulo 4 – Resultados e discussões 134

polissacarídeos, apresentou certa mobilidade em relação à ligação iônica. Além disso,

a reticulação com EDC não é rápida como no caso com os íons cálcio.

A ordem para o tamanho dos poros das matrizes reticuladas com EDC é

inversa a da reticulação com cálcio, ou seja: AS>AS/P 70/30>AS/P 50/50>AS/P 30/70

> P. Todas as matrizes apresentaram conectividade entre os poros, que é um fator

essencial para aplicação biomédica, por exemplo, o crescimento de tecidos de maneira

homogênea e uniforme, o que possibilita a utilização inclusive de matrizes de pectina.

O aumento no tamanho dos poros no alginato pode estar relacionado com a

menor eficiência da reticulação em pH 5, bem como, perda da estabilidade do EDC em

solução e competição entre os polissacarídeos pelo agente reticulante.

A Figura 61 mostra a secção transversal das matrizes de pectina e alginato

de sódio, respectivamente, reticuladas com cálcio (Figura 61 a e b) e com EDC (Figura

61 c e d).

A matriz de pectina reticulada com cálcio apresentou também na sua secção

transversal baixa conectividade entre os poros, enquanto a matriz de alginato

apresentou os poros bem distribuídos e conectados entre si.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 135

(a) (b)

Figura 61 – Microscopia de MEV da secção transversal das matrizes de pectina

(a,c) e alginato (b,d) reticuladas com cálcio e EDC.

A matriz de pectina reticulada com EDC, contrariamente ao que ocorreu

com cálcio, apresentou poros menores e conectados entre si. Para a matriz de alginato,

os poros foram maiores que os da pectina e as matrizes reticuladas com cálcio.

Com exceção da matriz de pectina reticulada com cálcio, as demais

matrizes analisadas apresentaram poros conectados entre si e dependentes da

composição e do tipo de agente reticulante utilizado no processo, podendo ser

utilizadas como sistema de liberação de fármaco e também como bandagens.

4.9.5. Ensaios mecânicos: Ensaio de tração dos filmes reticulados

As Figura 62, 63 e 64 apresentam o módulo de Young, a deformação na

ruptura e a tensão máxima dos filmes não reticulados e reticulados com cálcio e EDC.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 136

O ensaio de tração de filmes de alginato de sódio e pectina reticulados com cálcio

[90,

190]

já é descrito na literatura, ao contrário dos filmes reticulados com EDC.

0 102030405060708090100

100

200

300

400

500

600

Módulo de Young (MPa)

Composição de Pectina (%)

Não reticulados

Reticulados com EDC

Reticulados com CaCl

Figura 62 – Módulo de Young dos filmes reticulados com cálcio e EDC em função

da composição de pectina.

Os filmes de pectina e alginato de sódio apresentaram valores de módulo de

Young maiores que os filmes não reticulados. Por exemplo, alginato de sódio e pectina

nas mesmas condições experimentais, apresentaram antes da reticulação módulo de

Young de 480 MPa e 392 MPa, respectivamente. Após a reticulação com cálcio, os

módulos foram de 514 e 468 MPa. As blendas AS/P apresentaram a mesma tendência

observada para os polímeros puros. O aumento no módulo de Young indica a

formação de ligações cruzadas das cadeias do alginato de sódio e pectina com os íons

cálcio. A ordem para os valores de módulo de Young é: AS >AS/P 70/30 > AS/P

50/50 >AS/P 30/70 >P.

Os filmes reticulados com EDC também apresentaram valores de módulo

de Young maiores que os filmes não reticulados (521 MPa para o alginato e 420MPa

para pectina), conseqüência da formação da ligação covalente (ligação éster) entre as

cadeias poliméricas.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 137

Quando se compara os valores do módulo de Young dos filmes reticulados

com cálcio e EDC, os filmes reticulados com cálcio apresentaram uma pequena

tendência para o aumento do módulo de Young em todas as composições dos filmes

em relação aos filmes reticulados com EDC. Esse resultado pode estar relacionado

com o caráter iônico da ligação com os íons Ca

, resultado da coordenação pelos

grupos G do alginato e galacturônicos da pectina.

A Figura 63 mostra a deformação na ruptura do filmes reticulados e a

mesma tendência é observada em relação aos filmes não reticulados, na seguinte

ordem: AS> AS/P 70/30>AS/P 50/50> AS/P 30/70>P.

0 102030405060708090100

Deformação na Ruptura

Composição pectina (%)

Não reticulado

Reticulado com EDC

Reticulado com CaCl

Figura 63 – Gráfico de deformação na ruptura em função da composição de

pectina para os filmes reticulados com cálcio e EDC.

Entretanto, com a reticulação houve uma diminuição do valor da

deformação na ruptura, por exemplo, para a blenda AS/P 30/70 de 4 MPa para 3 MPa

após reticulação. Os filmes de alginato reticulados com cálcio apresentaram valor de

deformação na ruptura (6,3MPa) muito próximo ao descritos na literatura na faixa de

4,5 a 8 MPa

[90, 99]

. O aumento do módulo de Young e diminuição da deformação na

ruptura após reticulação são bastante observados em filmes de polissacarídeos e

Capítulo 4 – Resultados e discussões 138

proteínas.

[191-193]

Quanto aos reticulantes utilizados, não houve uma diferença

significativa entre os valores de deformação máxima na ruptura.

A Figura 64 mostra o gráfico da tensão máxima em função da composição

de pectina. Os filmes de alginato reticulados com cálcio apresentaram maior valor de

tensão máxima (85 MPa) comparado aos valores obtidos na literatura de 56-60MPa

[90]

Por outro lado, a pectina apresentou um valor de tensão menor (58 MPa). As blendas

apresentaram valores de tensão máxima intermediários aos polímeros puros e foram

dependentes da composição. Comparativamente, os filmes reticulados com cálcio

apresentaram maior valor de tensão que os filmes reticulados com o EDC.

0 102030405060708090100

Tensão Máxima (MPa)

Composição de Pectina (%)

Não Reticulados

Reticulados com EDC

Reticulados com CaCl

Figura 64 – Gráfico da tensão máxima em função da composição de pectina para

os filmes reticulados com cálcio e EDC.

Em geral, ambos os processo de reticulação aumentaram as propriedades

mecânicas dos filmes, com a tendência de um pequeno aumento na rigidez no caso de

filmes reticulados com cálcio.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 139

4.9.6. Ensaios Mecânicos: Ensaios de compressão das matrizes porosas

reticuladas

O módulo de compressão das matrizes porosas obedeceu a mesma ordem

do módulo de tensão dos filmes reticulados com cálcio e EDC: AS> AS/P 70/30>AS/P

50/50> AS/P 30/70>P (Figura 65). A composição dos polissacarídeos nas matrizes e o

tipo de reticulante influênciaram as propriedades mecânicas das matrizes porosas.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

100

Módulo de compressão (MPa)

Composição pectina (%)

Matriz reticulada com EDC

Matriz reticulado com CaCl

(A)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Tensão Máxima (MPa)

Composição de pectina (%)

Matriz porosa reticulada com EDC

Matriz porosa reticulada com CaCl

(B)

Figura 65 - Módulo de compressão (A) e tensão máxima (B) das matrizes

reticuladas com cálcio (z) e EDC (), respectivamente em função da composição

de pectina.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 140

A matriz de pectina reticulada com EDC, embora tenha poros menores

apresentou módulo de compressão e tensão máxima menor que a matriz de alginato.

O tipo do agente reticulante apresentou pequena diferença nas propriedades

mecânicas, por exemplo, as matrizes de pectina reticuladas com cálcio apresentaram

maior resistência à compressão que as matrizes reticuladas com o EDC fato este que

deve estar relacionado com o tipo de ligação entre as cadeias poliméricas (covalente

versus iônica).

As matrizes preparadas com a mistura de alginato de sódio/pectina

apresentaram aumento do módulo de compressão e tensão máxima comparado com a

matriz de pectina, mas todas apresentaram propriedades mecânicas intermediárias aos

polímeros puros.

4.9.7. Razão de intumescimento (RI) de filmes reticulados

A Figura 66 mostra a razão de intumescimento (RI) para os filmes

reticulados com cálcio. O fato de a pectina apresentar maior RI comparado com as

blendas e também do filme de alginato, está intimamente relacionado com o arranjo

das cadeias dos polissacarídeos com o cálcio. A conformação das cadeias de ácido

galacturônicos na pectina e guluronato no alginato de sódio apresentam alta

especificidade para ligação com íons cálcio e sítios de coordenação bem

específicos

[194]

Capítulo 4 – Resultados e discussões 141

0 5 10 15 20 25

0,8

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

RI (g/g)

Tempo (h)

AS/P 30/70

AS/P 50/50

As/P 70/30

Figura 66 – Razão de intumescimento em função do tempo (h) dos filmes

reticulados com cálcio.

Estudos teóricos baseados em métodos computacionais

[26]

indicam que

ambos os arranjos paralelo e antiparalelo das cadeias de alginato permitem uma

contribuição eletrostática com íons cálcio coordenado por cinco átomos de oxigênio no

primeiro arranjo enquanto no segundo, duas ligações hidrogênio complementares são

formadas entre os O2---O6 e O3---O5. Ainda não está claramente definido qual o

arranjo que predomina com os íons cálcio, embora o arranjo antiparalelo das cadeias

(“egg box”), apresenta cavidades, formada pelo dímeros de cada resíduo que são

adaptadas ao tamanho dos íons cálcio, como observado na Figura 67

[26]

Capítulo 4 – Resultados e discussões 142

(a) (b)

Figura 67 – Representação do arranjo paralelo (a) e antiparalelo (b) da

associação (cadeia-Ca

-cadeia) das cadeias gulurônicas. Os círculos em preto

representam os íons cálcio, (⎯) a coordenação com o cálcio e (---) as ligações

hidrogênio.

O modelo “egg-box” primeiramente adotado para o alginato de sódio, é

comprovado na literatura com experimentos de dicroísmo circular, entretanto para a

pectina esse modelo ainda não é claro. De acordo com Braccini e colaboradores

[26]

esse modelo não pode ser adotado para pectina tendo em vista que a cavidade formada

pelo arranjo das cadeias não apresentar tamanho adequado para os íons cálcio

(tamanho da cavidade maior que o tamanho do íon cálcio).

A conformação para a pectina

[26]

ainda não foi estabelecida, podendo se

apresentar como um arranjo antiparalelo com duas ligações hidrogênio O6---O3 e O5--

-O3 que se alternam com sítios de interação das unidades galacturônicas com o cálcio

(Figura 68 a), e/ou uma estrutura que exibe ligações de hidrogênio alternadas e sítios

de coordenação, com uma característica única de dois sítios de coordenação

consecutivos (Figura 68 b). Essa sugestão é suportada por experimento de dicroísmo

circular que mostraram uma mudança conformacional de dupla hélice para tripla

hélice quando géis são transformados em filmes

[195]

Capítulo 4 – Resultados e discussões 143

(a) (b)

Figura 68 - Representação do arranjo antiparalelo (a) e (b) da associação (cadeia-

-cadeia) das cadeias galacturônicas. Os círculos em preto representam os

íons cálcio, (⎯) a coordenação com o cálcio e (---) as ligações hidrogênio.

Devido a esta diferença no arranjo do íon cálcio na estrutura dos

polissacarídeos, o filme de pectina apresentou uma maior RI como conseqüência da

interação das suas cadeias, como observado na Figura 68 (a) que não permite um

arranjo eficiente, com fraca interação intercadeia o que possibilita maior

intumescimento. No caso da Figura 68 (b) embora a associação mais favorável entre as

cadeias, o arranjo estrutural com íons cálcio são mais susceptíveis à entrada de água do

que no alginato de sódio.

As blendas apresentaram valores de RI intermediários ao alginato e pectina

e novamente a composição dos filmes é determinante na suas propriedades. A ordem

observada para a RI dos filmes reticulados com cálcio foi P>AS/P 30/70>AS/P

50/50>AS/P 70/30>AS.

A reticulação do alginato de sódio e pectina com o EDC leva a formação de

ligações covalentes entre os grupos carboxílicos e hidroxilas dos polissacarídeos,

como mostrado anteriormente. Comparando-se o comportamento dos filmes

reticulados com cálcio, os filmes reticulados com EDC apresentaram uma inversão na

RI: AS>AS/P 70/30> AS/P 50/50> AS/P 30/70 >P. Além disso, a RI para os filmes

Capítulo 4 – Resultados e discussões 144

reticulados com EDC (Figura 69) é ligeiramente maior que os reticulados com cálcio.

De acordo com Rhim

[90]

, a reticulação iônica com íons cálcio reduz a mobilidade das

cadeias do alginato, reduzindo a permeabilidade aos vapores de água. Esse resultado

também pode ser relacionado com as propriedades mecânicas do filmes, que

apresentaram maior valor de módulo de Young e tensão máxima que os filmes

reticulados com EDC.

0 5 10 15 20 25

1,0

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

RI (g/g)

Tempo (h)

AS/P 30/70

AS/P 50/50

AS/P 70/30

Figura 69 - Razão de intumescimento em função do tempo (h) dos filmes

reticulados com EDC.

O filme de alginato reticulado com EDC, apresentou maior RI devido a

menor eficiência de reticulação que pode estar relacionada com o aumento de pH de 4

para 5 que corrobora com os resultados de ensaio mecânico. Xu e colaboradores

[116]

estudaram o efeito do pH (3-9) na reticulação de membranas de alginato com

concentração de etanol e EDC fixa e observaram que a reticulação realizada em pH 4

apresentou a menor RI, ou seja, maior eficiência da reticulação em pH 4. Esse

resultado foi consistente com o mecanismo de reação proposto para o EDC e ácidos

carboxílicos

[115]

Capítulo 4 – Resultados e discussões 145

O experimento de RI mostrou que todos os filmes, principalmente os

correspondentes as blendas dos polissacarídeos apresentaram um comportamento

intermediário aos dos polissacarídeos puros, o que possibilita a redução do custo com a

utilização de pectina que é uma matéria-prima de grande abundância no Brasil.

4.9.8. Razão de intumescimento de matrizes porosas

Quando uma matriz ou filme é imerso em água, o intumescimento ocorre

até que a força osmótica que fortalece a reticulação da rede polimérica seja balanceada

pela força elástica dos segmentos deformados do polímero. Essa força elástica é

inversamente proporcional a capacidade de intumescimento do filme ou matriz.

[196]

As matrizes apresentaram a mesma ordem de intumescimento observada

nos filmes, entretanto com maior RI. Por exemplo, o filme da blenda AS/P 30/70

apresentam um valor de RI de 2,5 comparado com 6,3 da matriz na mesma

composição. O aumento da RI em relação aos filmes é devido à presença dos poros

que apresentaram tamanhos dependentes da composição alginato/pectina e do agente

reticulante utilizado. A Figura 70 mostra a RI para as diferentes matrizes reticuladas

com cálcio. Em geral, o intumescimento de um material diminui à medida que o grau

de reticulação aumenta

[197]

e pode ser usado como uma medida da reticulação das

estruturas.

A matriz de pectina apresentou maior RI que os demais sistemas

provavelmente devido a diferença no arranjo das cadeias do polissacarídeo com íons

cálcio como apresentada nos caso dos filmes, que promoveu o aumento do tamanho

dos poros com uma menor conectividade. Aumentando-se a quantidade de alginato nas

matrizes, uma menor RI foi observada, devido ao tamanho dos poros e sua interação

com o cálcio.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 146

0 5 10 15 20 25

RI(g/g)

Tempo (h)

AS/P 30/70

AS/P 50/50

AS/P 70/30

Figura 70 – Razão de intumescimento das matrizes porosas reticuladas com

cálcio.

As matrizes que apresentaram tamanho médio de poros maior, o contato da

matriz com moléculas de água foi maior e consequentemente, aumento da RI. Por

exemplo, a matriz AS/P 30/70 apresentou tamanho médio dos poros de 194 µm e RI

de 6,0 enquanto, a matriz de alginato apresentou tamanho médio dos poros de 170 µm

com RI de 4,9.

Para as matrizes reticuladas com EDC (Figura 71), a matriz de alginato

apresentou maior RI que a matriz de pectina e blendas, devido a menor eficiência da

reticulação com EDC em pH 5, como discutido no caso de filmes.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 147

0 5 10 15 20 25

RI (g/g)

Tempo (h)

AS/P 70/30

AS/P 50/50

AS/P 30/70

Figura 71 - Razão de intumescimento das matrizes porosas reticuladas com EDC.

As matrizes reticuladas com EDC apresentaram maiores RI que as matrizes

reticuladas com cálcio, devido ao tamanho dos poros e a maior mobilidade das cadeias

unidas por ligações covalentes. As propriedades mecânicas das matrizes também

apresentaram menor módulo de compressão e tensão máxima em relação as matrizes

reticuladas com cálcio.

4.9.9. Durabilidade dos filmes e matrizes porosas reticulados

Os filmes reticulados com cálcio perderam cerca de 10 a 15% da sua massa

inicial, enquanto as matrizes porosas perderam em torno de 18 a 25% da sua massa,

com maior perda para o filme e a matriz porosa de pectina. Esse resultado pode estar

relacionado ao meio em que os filmes e matrizes foram imersos, neste caso, uma

solução tamponada contendo fosfato em pH 7,4. Alguns estudos têm demonstrado que

géis de alginato de cálcio podem ser solubilizados pela adição de íons fosfato, que atua

como um agente complexante a pH acima de 5

[198]

. Os filmes e matrizes porosas

reticuladas com EDC não apresentaram nenhuma perda significativa de massa durante

esse período.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 148

4.10. Adição do agente plastificante sorbitol e a reticulação dos filmes de

alginato de sódio e alginato de sódio/sorbitol com formaldeído.

A adição de agentes plastificantes é uma alternativa para reduzir a

fragilidade, melhorar o escoamento e aumentar a flexibilidade, tenacidade, tração e

resistência ao impacto

[199]

. Plastificantes como o sorbitol, que apresentam alto ponto de

ebulição e solubilidade em água, tem se mostrado adequados para a mistura com

polímeros solúveis em água

[200]

. Por outro lado, mesmo com propriedades mecânicas

adequadas, sistemas como alginato de sódio e sorbitol, em função da sua natureza

hidrofílica, exibem baixa resistência a água, limitando em muitos casos a sua

aplicabilidade. Uma das alternativas para se diminuir a solubilidades deste polímero

em água é a reticulação utilizando um outro agente reticulante, para o alginato de

sódio, o formaldeído que tem sido largamente utilizado para induzir modificações em

proteínas e polissacarídeos. Exemplos incluem a reticulação da quitosana via formação

de N-metileno-quitosana

[201]

, a reticulação da blenda alginato de sódio e

hidroxietilcelulose com glutaraldeído em meio ácido seguido de um segundo processo

de reticulação com uréia-formaldeído e ácido sulfúrico

[202, 203]

entre outros.

4.10.1. Espectroscopia de infravermelho

Os filmes de alginato não reticulados com ou sem adição de sorbitol

mostraram-se transparentes. Os espectros de infravermelho de filmes de alginato de

sódio puro sugerem que estes não foram afetados de forma significativa com a adição

de sorbitol (dados não mostrados). Apenas uma ligeira mudança no deslocamento e na

intensidade na região de deformação de grupos OH e nas bandas associadas a ligações

de hidrogênio (3363 cm

-1

para alginato de sódio e 3347 cm

-1

para filmes de AS/S

(70/30), foram observados.

Na Figura 72 são mostrados os espectros de infravermelho dos filmes de

alginato de sódio e AS/S antes e após a reticulação. O filme de alginato de sódio não

reticulado (Figura 72 A – espectro a) apresentou as bandas em 1620 cm

-1

e 1416 cm

-1

Capítulo 4 – Resultados e discussões 149

associadas a vibrações de deformação assimétricas e simétricas de grupos carboxilatos,

respectivamente. Após a reticulação (Figura 72 A - espectro b) foi observado o

aparecimento de uma banda intensa em 1743 cm

-1

. De acordo com Huang e

colaboradores

[204]

essa nova banda deve estar associada a grupos carboxila do ácido

algínico. O espectro de infravermelho também sugere a ausência de resíduos de

formaldeído nos filmes reticulados. Essa conclusão foi baseada no estudo realizado

por Yeom and Lee

[205]

na reação de poli (vinil álcool) e glutaraldeído em que as bandas

posicionadas a 1720, 2731 e 2866 cm

-1

foram associadas a resíduos de grupos aldeído

do reticulante.

No presente estudo, a formação de ácido algínico foi favorecida pela alta

concentração de HCl (dez vezes mais em relação a concentração usada no estudo

citado acima) usada para a reticulação. Entretanto, a reticulação dos filmes foi

confirmada pela presença da banda em 1250 cm

-1

(pequena intensidade) que foi

atribuída à formação de ligação acetal resultante da reação entre os grupos hidroxilas

do alginato de sódio e o grupos aldeído do formaldeído. Alguns trabalhos na

literatura, por exemplo, citam para o alginato de sódio

[206]

, ácido hialurônico

[207]

e poli

(álcool vinílico)

[135]

a formação de anel acetal (intracadeia) entre cada grupo aldeído

do glutaraldeído com os grupos hidroxilas de cada polímero.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 150

Figura 72 - Espectro na região do infravermelho: (A) alginato de sódio e (B)

alginato de sódio/sorbitol (70/30) para filmes (a) não reticulados and (b)

reticulados, respectivamente.

No caso da reação entre alginato e formaldeído ocorre também a formação

da ligação acetal, mas não há a formação do anel acetal como anteriormente, apenas a

formação da ligação intercadeias.

Comportamento similar foi observado para o sistema alginato de

sódio/sorbitol (Figura 72 B) no qual a principal mudança associada ao aumento do

conteúdo de sorbitol no filme reticulado foi à diminuição na intensidade da banda em

3300-3440 cm

-1

e a presença da banda em 1250 cm

-1

com maior intensidade que os

Capítulo 4 – Resultados e discussões 151

filmes de alginato reticulados. A diminuição da intensidade das bandas associadas aos

grupos hidroxilas do alginato de sódio e provavelmente do sorbitol era esperada

devido à reação de reticulação com o formaldeído.

4.10.2. Morfologia dos filmes

As micrografias das superfícies e das secções transversais dos filmes de

alginato de sódio e AS/S não reticulados e reticulados são apresentadas nas Figura 73

eFigura 74, respectivamente. A micrografia para os filmes de alginato de sódio não

reticulados (Figura 73A) mostra uma superfície regular e lisa, característica dos filmes

obtidos a partir do polímero puro. Os pontos brancos foram identificados por

espectroscopia de energia dispersiva (EDS) como íons sódio. Pequenos domínios de

agregados do polímero dispersos nos filmes foram também observados. A formação de

agregados foi aparentemente acentuada pela presença de sorbitol (Figura 73 C-D).

Por outro lado, em filmes reticulados com formaldeído foram observadas

diferentes morfologias (Figura 73 E-H). As micrografias de superfície revelaram uma

maior homogeneidade dos filmes com o desaparecimento dos agregados, sugerindo

uma possível participação do sorbitol na reação de reticulação. Esse comportamento

parece razoável se considerarmos que a estrutura do sorbitol possui seis grupos

hidroxila, que podem ser disponibilizados para interações com o agente reticulante.

Além disso, apesar de haver um aumento na concentração de sorbitol, o efeito nas

propriedades mecânicas dos filmes reticulados (discutidas a seguir) foi pouco

acentuado, comparado com o efeito nas amostras de filmes não reticulados.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 152

Figura 73 - Micrografia de MEV dos filmes de alginato de sódio: (A) e (C) não

reticulados, (B) e (D) reticulados com formaldeído.

A análise das micrografias das secções transversais dos filmes não

reticulados (Figura 74 A-D: note que na micrografia 3C o aumento foi de apenas 300

Capítulo 4 – Resultados e discussões 153

vezes) mostraram estruturas homogêneas, lisas e densas, praticamente independentes

da concentração de sorbitol.

Figura 74 - Micrografia de MEV dos filmes de alginato de sódio/sorbitol (70/30):

(A) e (C) não reticulados, (B) e (D) reticulados com formaldeído.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 154

Após a reação de reticulação (Figura 74 E-H) as secções transversais ainda

se mostraram homogêneas, mas com aspecto rígido e características lamelares,

principalmente nas amostras com 20% e 30% de sorbitol. Aparentemente o

plastificante aumenta o grau de reticulação, afetando as amostras tanto na estrutura

(fazendo com que estruturas mais complexas sejam formadas), quanto nas suas

propriedades (como absorção de água e propriedades mecânicas). O efeito do sorbitol

será melhor discutido nas seções seguintes.

4.10.3. Absorção de água

A razão de intumescimento (RI) dos filmes, que foi também usada como

parâmetro de medida da extensão da reticulação

[134]

(considerando a solubilidade total

do filme não reticulado), foi analisada em termos do tempo de exposição e quantidade

de sorbitol adicionada à temperatura ambiente (Figura 75). Em geral, um menor grau

de intumescimento é atribuído a um maior grau de reticulação

[112]

Figura 75 - Razão de inchamento dos filmes reticulados de alginato de

sódio/sorbitol preparados por imersão em solução de formaldeído por 24 h.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 155

A capacidade de intumescimento dos filmes reticulados por imersão em

solução de formaldeído, mostrou-se dependente do tempo e inversamente proporcional

a porcentagem de sorbitol. Os filmes mantiveram sua integridade na presença de água,

ao contrário dos filmes não reticulados, que se dissolveram em poucos minutos.

O efeito do agente reticulante no intumescimento tem sido extensivamente

estudado em sistemas macromoleculares. A diminuição da taxa de intumescimento

com a reticulação foi observada em micropartículas de alginato de sódio reticuladas

com glutaraldeído

[208]

, em polisiloxanos reticulados

[209]

, em géis de quitosana

parcialmente acetilada e glutaraldeído

[210]

e em membranas de polivinil álcool

[211]

. Em

geral, com a presença de reticulante ocorre uma maior superposição das cadeias,

favorecendo a formação de um maior número de pontos de reticulação.

Para o sistema alginato de sódio/sorbitol/formaldeído (Figura 4), a RI

aumentou com o tempo e diminuiu com a concentração de sorbitol no filme. Um efeito

adicional devido à presença de plastificante (sorbitol) foi observado. O aumento mais

significativo ocorreu com 5 horas de imersão (aproximadamente 100%), sendo que os

maiores valores de RI foram os relacionados ao alginato de sódio puro. A razão de

intumescimento foi baixa para os filmes reticulados, e diminuiu com o aumento da

quantidade de sorbitol nos filmes. Em geral, em macromoléculas não reticuladas o

efeito do agente plastificante pode ser analisado em termos da diminuição da

temperatura de transição vítrea e aumento no volume livre devido a uma redução nas

interações inter- e intramacromoleculares

[212]

. O sorbitol, que estruturalmente possui

uma alta densidade de grupos hidroxila, interage com as carbonilas do alginato de

sódio por ligações de hidrogênio. O formaldeído reage covalentemente com os grupos

hidroxila do alginato de sódio, do mesmo modo que nas reações do poli (vinil álcool)

com glutaraldeído

[205]

. Ao mesmo tempo, o sorbitol pode reagir com o formaldeído

aumentando a densidade de reticulação, fazendo com que o sistema seja menos

suceptível a absorção de água. Esse efeito foi mais pronunciado nos estudos de

absorção de água para os sistemas alginato de sódio/sorbitol não reticulados e

reticulados em umidade relativa de 43% (discutidos a seguir).

Capítulo 4 – Resultados e discussões 156

Uma segunda análise foi realizada considerando-se a absorção de água em

umidade relativa constante (43% UR). Nestas condições (baixa umidade relativa), os

filmes não reticulados de alginato de sódio/sorbitol também permaneceram estáveis na

presença de água, sendo possível utilizá-los em experimentos de absorção. Os gráficos

com a percentagem de absorção de água em função do tempo são mostrados nas

Figura 76 (A) e (B).

Figura 76 - Absorção de água por filmes de alginato de sódio/sorbitol: (A) não

reticulados, e B) reticulados por imersão em solução de formaldeído por 24 h.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 157

Para as amostras não reticuladas de alginato (Figura 76 A) a absorção de

água aumentou com o aumento da quantidade de sorbitol. Por exemplo, a absorção de

água aumentou de 16% (alginato de sódio puro) para 28% (filmes com 30% de

sorbitol). Dois efeitos podem ser considerados: um relacionado ao aumento do caráter

hidrofílico da mistura, e o outro associado com o efeito do plastificante. Conforme

discutido anteriormente, a presença de sorbitol aumenta tanto o caráter hidrofílico

quanto o volume livre do sistema, favorecendo o aumento da absorção de água

[213, 214]

Este comportamento é comparável ao observado nos filmes de amido/sorbitol

[215]

e de

gelatina

[183]

A Figura 76 B mostra o gráfico de absorção de água para os sistemas

reticulados. Nenhum efeito significativo foi observado para alginato de sódio puro. De

fato, a absorção de água de 16% para o alginato de sódio não reticulado, diminui para

13% após a reticulação. No entanto, um efeito contrário e significativo foi observado

quando a quantidade de sorbitol na mistura foi aumentada. A absorção de água

diminuiu para aproximadamente 5% para o sistema com 30% de sorbitol. Após a

reticulação e com o aumento na percentagem de sorbitol, uma estrutura mais compacta

foi aparentemente formada, diminuindo a absorção de água. Este comportamento

confirma a reação aparente de reticulação do formaldeído com os grupos hidroxila do

sorbitol. Este efeito foi similar a diminuição na absorção de água como aumento da

concentração de reticulante observada em membranas de quitosana/proteína de soja

[216]

e em géis de quitosana parcialmente acetilada e glutaraldeído

[210]

. Com o objetivo de

melhor caracterizar o efeito da presença de sorbitol, o equilíbrio de absorçào de água

para os sistemas AS/S não reticulados e reticulados é apresentado na Figura 77. Para

filmes não reticulados o equilíbrio de absorção de água aumentou linearmente com o

aumento da concentração de sorbitol (r

= 0,999; coeficiente linear = 0,14). Esses

resultados refletem o aumento no volume livre e o caráter hidrofílico do sistema,

favorecendo a absorção de água. Os filmes reticulados mostraram um efeito contrário

= 0.999; coeficiente linear = - 0.14), sugerindo uma participação efetiva do sorbitol

no aumento da densidade de reticulação.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 158

Figura 77 - Equilíbrio de absorção de água em função da quantidade de sorbitol

para filmes de alginato de sódio/sorbitol não reticulados e reticulados.

4.10.4. Propriedades mecânicas.

As três figuras abaixo, mostram a dependência do módulo de elasticidade,

tensão máxima e deformação na ruptura com o conteúdo de sorbitol e com processo de

reticulação dos filmes. Para alginato puro, o módulo de elasticidade (Figura 78), por

exemplo, diminui de 480 MPa para 122 MPa (filme com 30% sorbitol), sugerindo uma

redução na rigidez do filme. Aparentemente, a presença de 30% de sorbitol reduziu as

interações polímero-polímero, aumentando o volume livre entre as cadeias,

promovendo a diminuição no módulo de elasticidade. Comportamento similar foi

observado por Meier e colaboradores

[217]

no estudo do efeito da poli (caprolactona

triol) nas propriedades mecânicas de filmes de acetato de celulose. Para os filmes de

alginato reticulados, o módulo de elasticidade diminui de 524 para 420 MPa com o

quantidade de sorbitol variando de 0% para 10%, respectivamente, permanecendo

praticamente constante na faixa de 10 a 30% de sorbitol, sugerindo a formação de

filmes mais resistentes.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 159

0 102030

100

200

300

400

500

600

700

Módulo de elasticidade (MPa)

Quantidade de sorbitol (%)

Filmes não reticulados

Filmes reticulados

Figura 78 - Módulo de elasticidade de filmes de alginato de sódio/sorbitol não

reticulados e reticulados.

A tensão máxima para filmes de alginato puro diminuiu de 49MPa para 18

MPa com o aumento na concentração de sorbitol de 0 para 30% (Figura 79). Para

filmes de alginato reticulados, a tensão máxima diminuiu de 56 MPa para 48 MPa com

a adição de 10% de sorbitol, seguido por um leve aumento para cerca de 53 MPa com

30% de sorbitol. A discreta variação na tensão máxima mostrou que com a reticulação,

a presença de plastificante não alteram de maneira significativa as propriedades

mecânicas. Ao mesmo tempo, estes valores podem ser considerados como moderados

e baixos, sendo associados a definição de um material com características maleáveis.

Os valores de tensão máxima apresentados acima foram mais baixos do que os

descritos na literatura para filmes de alginato reticulados por imersão em solução

aquosa de CaCl

[90]

. Para este sistema, os autores determinaram valores de tensão

máxima na faixa de 68 a 80 MPa quando a concentração do sal na solução variou entre

1 e 3 g/100 mL. O grau de reticulação com CaCl

foi maior do que o obtido no

presente estudo com formaldeído.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 160

0102030

Tensão Máxima (MPa)

Quantidade de sorbitol

Filmes não reticulados

Filmes reticulados

Figura 79 – Tensão máxima de filmes de alginato de sódio/sorbitol não

reticulados e reticulados.

O efeito do plastificante foi bem definido com relação a deformação na

ruptura de filmes de alginato de sódio puro. Variando-se a quantidade de sorbitol de 0

para 30% a deformação aumentou de 6,5% para 13% (Figura 80). Entretanto, para os

filmes reticulados a porcentagem de deformação na ruptura diminuiu de

aproximadamente 4% (alginato puro) para 1,8% (com 30% de sorbitol). A diminuição

na deformação na ruptura com a quantidade de sorbitol concorda com o discreto

aumento observado para a tensão máxima quando a quantidade de sorbitol aumentou

de 10% para 30%. Os valores acima foram consistentes com os descritos por Rhim

para alginato reticulado com CaCl

[90]

Capítulo 4 – Resultados e discussões 161

0102030

Deformação na ruptura (%)

Quantidade de sorbitol (%)

Filmes não reticulados

Filmes reticulados

Figura 80 –

Deformação na ruptura de filmes de alginato de sódio/sorbitol não

reticulados e reticulados.

4.11. Estudos preliminares de liberação de fármaco a partir de matrizes porosas

O estudo preliminar de liberação de fármaco foi realizado com o

paracetamol e é largamente utilizado com analgésico. O paracetamol foi escolhido

como fármaco-modelo apenas para avaliar o comportamento de liberação das matrizes.

4.11.1. Eficiência de incorporação do fármaco-modelo nas matrizes

A eficiência de incorporação do paracetamol nas matrizes foi em média de

77-82 % para as matrizes reticuladas com cálcio e de 64-71% para as matrizes

reticuladas com EDC. A diferença nos valores se deve principalmente ao tipo de

agente reticulante e as ligações formadas que afeta diretamente o tamanho dos poros e

consequentemente a eficiência de incorporação do fármaco.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 162

4.11.2. Liberação do fármaco-modelo das matrizes porosas

O perfil de liberação das matrizes reticuladas com cálcio (Figura 81) e EDC

(Figura 82) indicou, em geral uma rápida liberação, e dependendo da composição, a

liberação foi total num tempo menor que 24 horas.

A liberação do paracetamol das matrizes depende da composição destas e

da interação com cálcio ou EDC, que modulam a formação dos poros e

consequentemente, as propriedades mecânicas e de intumescimento.

As matrizes reticuladas com cálcio apresentaram a seguinte ordem de

liberação do paracetamol: P > AS/P 30/70 > AS/P 50/50 > AS/P 70/30 >AS,

similarmente a observada na RI. As matrizes de pectina apresentaram uma rápida

liberação do paracetamol, provavelmente devido a baixa conectividade e tamanho

maiores dos poros em relação ao alginato, resultado da interação as cadeias e os íons

, discutido anteriormente. As matrizes da mistura de AS/P apresentaram um perfil

de liberação intermediário aos polímeros puros, com menor taxa de liberação.

0 1020304050

100

AS/P 30/70

AS/P 50/50

AS/P 70/30

Quantidade cumulativa de fármaco (%)

Tempo (h)

Figura 81 – Perfil de liberação do paracetamol das matrizes reticuladas com

cálcio.

Capítulo 4 – Resultados e discussões 163

As matrizes reticuladas com EDC (Figura 82) apresentaram maior taxa de

liberação que as matrizes reticuladas com cálcio. A liberação a partir da matriz de

alginato foimaior significativamente que para a pectina obedecendo a mesma ordem

observada para a RI: AS > AS/P 70/30 > AS/P 50/50> AS/P 30/70>P.

01020304050

100

AS/P 70/30

AS/P 50/50

AS/P 30/70

Quantidade cumulativa de fármaco (%)

Tempo (h)

Figura 82 – Perfil de liberação do paracetamol das matrizes reticuladas com

EDC.

Dessa forma, é possível modular o perfil da liberação do fármaco-modelo

com a escolha da composição das matrizes e do tipo do reticulante que controlam o

tamanho dos poros formados e, portanto a arquitetura das matrizes. Lai e

colaboradores

[218]

observaram que as matrizes porosas de alginato de sódio e quitosana

apresentaram uma rápida liberação do paracetamol durante 24h, enquanto suas blendas

apresentaram um perfil de liberação no mesmo período, sem no entanto apresentar

uma diferença significativa com a variação na composição. Os autores concluiram que

o perfil da liberação dessas matrizes dependem da composição dos polissacarídeos.

No presente estudo, o perfil de liberação do paracetamol a partir das

matrizes de alginato, pectina e blendas AS/P dependem de fatores como o

intumescimento da matriz e a difusão do fármaco na matriz. Entretanto, pode-se

concluir ainda que a composição dos polissacarídeos e o tipo de agente reticulante

Capítulo 4 – Resultados e discussões 164

modulam o perfil de liberação. É necessário ainda destacar que as matrizes obtidas da

mistura de alginato/pectina reticulada com ambos os agentes reticulantes e a pectina

reticulada com EDC, apresentam viabilidade para a utilização na liberação de

fármacos e no tratamento de lesões.

4.11.3. Microscopia Eletrônica de Varredura das matrizes

As Figura 83 (a) (b) e (c) mostram a morfologia da secção transversal da

matriz AS/P 30/70 reticulada com EDC e com a presença de paracetamol, com

aumentos de: 200, 400 e 800 vezes, respectivamente.

(a)

(b)

Figura 83 – Micrografias da secção transversal da matriz AS/P 30/70 reticulada

com EDC antes (a, b, c) e após (d) o experimento de liberação do paracetamol.

A Figura 83 (a) e os aumento de 400 e 800 vezes na Figura 83 (b) e (c)

mostraram a presença de cristais de paracetamol na parede dos poros. As demais

matrizes reticuladas com EDC e com cálcio também apresentaram cristais de

Capítulo 4 – Resultados e discussões 165

paracetamol no interior das mesmas. Em nenhuma das matrizes foi encontrada a

presença de paracetamol na superfície.

A Figura 83 (d) é mostrada a secção transversal da mesma matriz após o

ensaio de liberação (48h), não sendo observado cristais de paracetamol nas paredes

dos poros, sugerindo a liberação total do fármaco.

CAPÍTULO 5

5. CONCLUSÕES

No estudo de viscosimetria e de DLS, as soluções de alginato de sódio e

pectina apresentaram o efeito polieletrolítico em água, o qual diminui com a adição de

NaCl. O volume hidrodinâmico e o R

são dependentes das propriedades dos íons K

, da quebra das ligações de hidrogênio e/ou hidrofóbicas (pelo aquecimento das

soluções) e principalmente da estrutura dos polissacarídeos e grau de ionização em

solução. Não ocorreu uma diminuição significativa na viscosidade intrínseca dos

polissacarídeos puros com a adição de NaEDTA, entretanto a adição de 5 mmol.L

-1

NaEDTA em NaCl 0,1 mol.L

-1

a 80ºC em experimento de DLS apresentou apenas um

modo de relaxação para o alginato de sódio, o modo rápido relacionado a dinâmica de

pequenos agregados e cadeias livres.

As soluções de alginato de sódio e pectina apresentaram comportamento

não-Newtoniano e pseudoplástico, acentuando-se o caráter com o aumento da

concentração polimérica. Ambas as soluções apresentaram domínio do G´´ (G´´>G׳)

em toda a faixa de frequência estudada, caracterizando um fluído viscoso.

As propriedades mecânicas, térmicas e a capacidade de absorção de água

dos filmes de alginato de sódio e pectina, bem como o ensaio de compressão das

matrizes porosas obtidas dessas blendas, não apresentaram diferença significativa,

como também observada no estudo em solução. Contudo, nos casos das matrizes, a

conectividade e o tamanho dos poros são nitidamente menores para aquelas obtidas a

partir da pectina.

A reticulação dos polissacarídeos puros e das blendas com CaCl

e EDC foi

evidênciada pela presença da banda em 1700 cm

-1

(ligação éster) no caso do EDC e o

deslocamento da banda em 1420 cm

-1

para o CaCl

. A reticulação promoveu ainda o

aumento do módulo e da tensão máxima dos filmes e matrizes, diminuição da

Capítulo 5 – Conclusões 167

solubilidade (menor RI), e a morfologia dos filmes apresentaram um aspecto mais

rígido e quebradiço. A formação de ligações cruzadas foi também comprovada pela

intersecção dos módulos G´ e G´´ e uma diminuição das propriedades viscoelásticas

foi observada com o aumento da quantidade de alginato de sódio nas blendas. Quanto

ao tipo de agente reticulante, a reticulação com cálcio apresentou uma maior redução

da mobilidade das cadeias em relação as ligações covalentes com o EDC, refletindo no

tamanho dos poros das matrizes e na razão de intusmescimento.

O efeito plastificante do sorbitol em filmes de alginato de sódio e de

diferentes umidades relativas, no caso de filmes de alginato de sódio/pectina foram

comprovados através da diminuição do módulo de elasticidade e tensão máxima e o

aumento da deformação na ruptura e da absorção de água. A reticulação dos filmes de

alginato de sódio e alginato de sódio/sorbitol com o formaldeído foi evidênciada

através da banda em 1250 cm

-1

(ligação acetal) e pela diminuição da razão de

intumescimento e da cinética de absorção de água, principalmente com a adição de

sorbitol, sugerindo um aumento do grau de reticulação devido a presença do

plastificante.

A cinética de liberação do paracetamol apresentou uma dependência com a

composição das matrizes e do agente reticulante e todas apresentaram liberação total

do fármaco em um período de 48h.

Todas as blendas de alginato de sódio/pectina, tanto na forma de filmes e

matrizes porosas quanto em solução apresentaram propriedades físicas químicas

intermediárias aos polissacarídeos puros, portanto nenhum efeito sinérgico foi

observado. Com base nos resultados torna-se viável a utilização de blendas de alginato

de sódio/pectina na preparação de filmes e matrizes porosas reticuladas, reduzindo o

custo do produto final com a substituição parcial do alginato de sódio pela pectina.

Estes filmes e matrizes podem ser utilizados como sistema de liberação de fármaco e

bandagens para lesões e/ou queimaduras, apresentando aumento das propriedades

mecânicas, alta capacidades de intumescimento e no caso das matrizes, poros

interconectados que são fundamentais para o crescimento do tecido lesionado.

CAPÍTULO 6

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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