Disser Ta Cao

UNIVERSIDADE DE SO PAULO

ZHAO LILI

SNTESE E CARACTERIZAO DO COPOLMERO TRIBLOCO ANFIFLICO BIODEGRADVEL POLI(L, L-

LACTDEO-STAT--CAPROLACTONA)-BLOCO-POLI(XIDO DE ETILENO)-BLOCO-POLI(L,L-LACTDEO-

STAT--CAPROLACTONA)

Dissertao de mestrado apresentada ao

Departamento de Engenharia Metalrgica e de

Materiais da Escola Politcnica da Universidade

de So Paulo como parte dos requisitos para a

obteno do ttulo de Mestre em engenharia.

So Paulo

2007

1

SUMRIO

AGRADECIMENTOS ....................................................................................................... i

RESUMO ............................................................................................................................ ii

ABSTRACT ....................................................................................................................... iii

LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ iv

LISTA DE TABELAS ...................................................................................................... vii

LISTA DE ABREVIATURAS ........................................................................................ viii

1. INTRODUO ................................................................................................................ 4

2. OBJETIVOS ................................................................................................................... 10

3. REVISO BIBLIOGRFICA ...................................................................................... 12

3.1. POLISTERES ......................................................................................................... 12

3.1.1.cido Lctico....................................................................................................... 12

3.1.1.1. Produo do cido lctico............................................................................... 14

3.1.1.2. Preparao de polmeros baseados em cido lctico ..................................... 17

3.1.2. Poli (cido Gliclico)......................................................................................... 20

3.1.3. Poli(-caprolactona) .......................................................................................... 22

3.2. POLI(GLICOL ETILNICO)/POLI(XIDO DE ETILENO) ................................. 24

3.2.1. Propriedades do PEG......................................................................................... 25

3.2.2. Aplicaes do PEG............................................................................................. 27

3.3. POLIMERIZAO POR ABERTURA DE ANEL ................................................. 28

3.4. BIODEGRADAO ................................................................................................ 32

2

3.4.1. Fatores que Influenciam a Degradao............................................................. 35

3.4.1.1. Localizao do Implante ............................................................................. 35

3.4.1.2. Composio Qumica .................................................................................. 36

3.4.1.3. Cristalinidade .............................................................................................. 37

3.4.1.4. Massa molar ................................................................................................ 37

3.4.1.5. Reticulao .................................................................................................. 37

3.4.1.6. Morfologia ................................................................................................... 38

3.5. ENGENHARIA DE TECIDOS................................................................................. 39

4. PARTE EXPERIMENTAL........................................................................................... 43

4.1. MATERIAIS ................................................................................................................. 43

4.2. EQUIPAMENTOS: ......................................................................................................... 43

4.3. METODOLOGIA ........................................................................................................... 44

4.3.1. Procedimento geral para sntese de copolmero tribloco com PEG20K (1) ..... 45

4.3.2. Sntese de PEG modificados (PEG-MODIF) a partir de PEG com 4000 u.m.a.

(PEG 4K) (2) ................................................................................................................ 47

4.3.2.1. Fundamentos tericos e clculos ................................................................ 47

4.3.2.2. Procedimento da sntese de poli(glicol etilnico)s a partir de PEG com

4000 u.m.a. (2).......................................................................................................... 49

4.3.3. Sntese de copolmero tribloco Poli(PLLA-CL-b-PEG-b-PLLA-CL)a partir de

PEG -MODIF (3).......................................................................................................... 50

5. CARACTERIZAO E RESULTADOS.................................................................... 51

5.1. RESSONNCIA MAGNTICA NUCLEAR (RMN-13C E RMN-1H).................................. 51

5.2. ANLISE TRMICA DINMICO-MECNICA (DMTA).................................................... 62

3

5.3. CALORIMETRIA EXPLORATRIA DIFERENCIAL (DSC)................................................ 67

5.4. TERMOGRAVIMETRIA / TERMOGRAVIMETRIA DERIVADA (TG/DTG)......................... 74

5.5. ANLISE POR DIFRAO DE RAIO-X (WIDE ANGLE X-RAY SCATTERING WAXS) ........ 81

5.6. MICROSCOPIA TICA DE LUZ POLARIZADA (MOLP)................................................... 87

5.7. MICROSCOPIA ELETRNICA DE VARREDURA (MEV) .................................................. 91

5.8. TESTES DE BIOCOMPATIBILIDADE ............................................................................... 94

6. CONCLUSES............................................................................................................... 97

7. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................ 99

4

1. INTRODUO

Neste incio do sculo XXI, aproximadamente seis bilhes de pessoas vivem no

planeta Terra e, estima-se que a populao ultrapasse os dez bilhes at meados do sculo.

Por causa desse aumento explosivo da populao, o mundo comeou a enfrentar vrios

problemas srios, como escassez de recursos energticos, alimentcios e a poluio

ambiental. A cincia e a tecnologia fizeram um progresso surpreendente no ltimo sculo,

particularmente depois da Segunda Guerra Mundial, tornando a vida cotidiana mais

confortvel e conveniente. Da mesma forma, para os materiais polimricos, a variedade de

polmeros sintticos est aumentando cada vez mais e suas aplicaes esto substituindo os

usos tradicionais de fibras naturais, madeiras e borrachas naturais. Os polmeros sintticos

so utilizados em um campo imenso de aplicaes, tais como transporte, construo,

embalagens, reas mdicas, etc. Hoje em dia, 150 milhes de toneladas de plsticos so

produzidos anualmente em todo o mundo e, a produo e o consumo continuam crescendo.

A maioria desses plsticos originada do petrleo e o aumento da produo deles, como

conseqncia, resulta no crescimento do consumo de leo. O ponto mais preocupante que

a grande durabilidade desses polmeros sintticos causa um impacto ambiental muito

significativo devido ao seu lento processo de degradao.[1]

Uma das estratgias que resolvem esses difceis problemas de recursos fsseis e do

meio ambiente a reciclagem dos materiais polimricos eliminados. De fato, a reciclagem

do plstico tem se tornado altamente popular em todo o mundo. A reciclagem do plstico

deveria ser disseminada com maior amplitude, porm a poluio causada pelos mesmos no

pode ser solucionada apenas por meios de reciclagem. Nem sempre possvel recuperar

todo o plstico utilizado. Nesses casos deveria ser indispensvel o uso de polmeros

5

biodegradveis. Alm disso, percebe-se que esses processos de reciclagem, tanto a

mecnica quanto a qumica, consomem considervel quantidade de energia trmica e por

este motivo, no se pode recicl-los para sempre, sendo esses materiais geralmente

destinados queima ou aterros sanitrios. Tendo isto em considerao, entende-se

facilmente a necessidade dos polmeros biodegradveis, os quais so reciclados por

microorganismos sem o consumo de energia trmica. [1,2]

Polmeros biodegradveis so definidos como polmeros que so degradados,

eventualmente transformados em dixido de carbono e gua, por microorganismos tais

como bactrias e fungos.[3] Portanto, quando esses polmeros vierem a ser degradados, eles

no devero gerar quaisquer substncias danosas ao meio ambiente. Polmeros

biodegradveis podem ser classificados em: i. Polmeros naturais (colgeno, lipdios,

celulose e polissacardeos, entre outros); ii. Polmeros naturais modificados (por

exemplo, reticulao de gelatina utilizando-se formaldedo, reticulao de quitosana

utilizando-se glutaraldedo ou transformao de celulose a acetato de celulose); iii.

Polmeros sintticos (poli(lcool vinlico), poli(cido acrlico), poli(acrilamidas),

poli(etilenoglicol), polisteres, etc[4-6]). Entre os polisteres, tem-se o poli(glicoldeo) como

polmero aliftico linear mais simples. Na grande famlia de polmeros biodegradveis,

destacam-se dois grupos: o primeiro de plsticos biodegradveis para consumos dirios

comuns tais como sacos de lixos, embalagens de alimentos, cosmticos, de produtos de

limpeza, etc, substituindo os viles da poluio ambiental; e um segundo grupo constitudo

por polmeros com aplicaes na rea mdica e farmacutica, tais como implante de

dispositivos mdicos, rgos artificiais, dispositivos de liberao controlada de drogas,

prteses, etc.[7] Para esses usos, exige-se do polmero tanto biodegradabilidade quanto

biocompatibilidade.

6

No primeiro grupo tem-se um famoso representante, o poli(hidroxibutirato) (PHB),

cuja descoberta ocorreu graas a uma bactria chamada Burkholderia sacchari, a qual se

alimenta diretamente de acar, transformando o excedente do seu metabolismo em um

plstico biodegradvel, o que foi nomeado de PHB, posteriormente.[3],[4] Tecnicamente, o

PHB possui propriedades mecnicas semelhantes ao polipropileno: resistente a gua e

possui a impermeabilidade a gases. Quanto biodegradabilidade, ele se decompe em uma

grande diversidade de meios, liberando apenas gua e gs carbnico. Em fossas spticas, a

perda da massa chega a 90% em 180 dias e em aterro sanitrio perde 50% da massa em 280

dias, enquanto que o plstico de origem petroqumica pode levar centenas de anos para se

degradar.[10] A fabricao do PHB em escala industrial pode ser integrada totalmente linha

de produo da usina de acar. A energia para cultivo da bactria vem da queima de

bagao de cana. [8][9] O alimento o prprio acar e o solvente usado para retirar o

polmero das bactrias um derivado da produo de etanol. At os efluentes da linha de

produo tm aplicao dentro da cadeia produtiva: so usados para adubar e irrigar

plantaes. Alm disso, a alta produtividade (para cada 3 quilos de acar utilizado para

alimentar as bactrias possvel obter 1 quilo de plstico), revelada pelos pesquisadores do

IPT (Instituto de Pesquisas Tecnolgicas), tornou a produo industrial do PHB ainda mais

atraente. [10]

J na famlia dos polisteres alifticos, os polmeros, tais como o poli(-

caprolactona), poli(l-lactdio) e poli(cido gliclico), atualmente, so produzidos

comercialmente e suas vendas continuam crescendo[9],[11]. Alm desses polisteres

alifticos, vrios tipos de polmeros sintticos biodegradveis tm sido projetados e

testados para aplicaes prticas. Muitos copolmeros desses materiais so utilizados como

7

sistema de liberao controlada de frmacos. Essa tecnologia envolve diferentes aspectos

multidisciplinares e pode contribuir muito para o avano da sade humana. O chamado

drug delivery system oferece inmeras vantagens quando comparados a outros de

dosagem convencional: [12-16]

a) Maior eficcia teraputica, com liberao progressiva e controlada do frmaco, a

partir da degradao da matriz;

b) Diminuio significativa da toxicidade e maior tempo de permanncia na

circulao;

c) Natureza e composio dos veculos variados e, ao contrrio do que se poderia

esperar, no h predomnio de mecanismos de instabilidade e decomposio do

frmaco (bio-inativao prematura);

d) Administrao segura (sem reaes inflamatrias locais) e conveniente (menor

nmero de doses);

e) Direcionamento a alvos especficos, sem imobilizao significativa das espcies

bioativas;

f) Tanto substncias hidroflicas quanto lipoflicas podem ser incorporadas.

Outra aplicao interessante a confeco de implantes, suportes (scaffolds) para

crescimento celular, suturas de uso temporrio[17-18] e no removveis. Por ter uma

biodegradao atxica em uma escala de tempo programvel, a principal vantagem clnica

destes dispositivos temporrios e bio-assimilveis, a reduo de infeces e reduo de

custo, pois no necessitam de uma segunda cirurgia para remoo do implante. [19]

Na engenharia de tecidos, o primeiro passo para a reconstruo de um rgo ou

tecido visa seleo do suporte para as clulas. Assim, o material polimrico utilizado no

8

caso de necessidade de scaffolds desenvolvido de forma a suportar fsica e

mecanicamente as clulas, da inoculao at o reimplante no organismo hospedeiro.

Portanto, o material tem funo como um suporte para o crescimento celular e

paralelamente servir como substituto mecnico/estrutural do tecido original at a formao

do novo tecido. Enquanto o tecido se desenvolve, o polmero degradado e reabsorvido

gradualmente, permitindo espao para a proliferao celular; a cultura in vitro e o tecido

maduro so formados no final dessa etapa. Somente aps a formao completa do tecido, o

implante inserido no organismo. [20-21]

Durante a dcada de 90, grandes investimentos foram feitos em pesquisas e

desenvolvimentos de engenharia de tecidos cartilaginosos e sseos, liderados por mdicos e

engenheiros e os scaffolds de PGA e PLA foram relatados em usos de reconstrues

cartilaginosas. Nos ltimos anos, eles foram testados experimentalmente visando at a

reproduo total ou parcial de estruturas anatmicas humanas, como por exemplo: tecido

heptico, mandbula, nervos perifricos, vlvulas e ductos urolgicos, vasos e regenerao

de tecido sseo.[22-26] Um relato mais completo das informaes existentes sobre a

engenharia de tecidos citado no captulo 3.5.

A Figura 1.1 ilustra um exemplo de implante tipo stent intravascular biodegradvel

feito de blenda de polilactdeo e carbonato de trimetileno.[5]

Para melhorar ainda mais a biocompatibilidade com os tecidos vivos, surge a

necessidade de desenvolver materiais com propriedades hidrofbicas e hidroflicas,

simultaneamente, tais como copolmeros em bloco. Esse tipo de copolmero, contendo

ambas as partes, chamado copolmero de propriedade anfiflica.

9

Figura 1.1 Prottipo de um stent intravascular biodegradvel (blenda de polilactdeo e

carbonato de trimetileno). [5]

10

2. OBJETIVOS

O trabalho tem como enfoque principal sintetizar e caracterizar copolmeros

anfiflicos e estudar detalhadamente a sua preparao e a influncia da sua microestrutura

nas propriedades qumicas e fsicas, principalmente, as propriedades mecnicas.

Este Projeto de pesquisa se insere nos trabalhos do grupo de polmeros

biodegradveis e envolve a preparao de copolmeros em bloco de etileno glicol, -

caprolactona e l-lactdeo, cujas composies estudadas foram baseadas nas pesquisas

desenvolvidas no laboratrio anteriormente[27-28]. A cadeia de poli(l,l-lactdeo) (PLA)

contribui para melhorar a propriedade mecnica e, a fase amorfa dominada por poli(-

caprolactona) (PCL) que, por sua vez, contribuir na reduo do tempo de degradao do

copolmero. A cadeia do poli(xido de etileno) (PEO) tem caracterstica hidroflica, assim,

com a adio desse material, torna o copolmero um produto de natureza anfiflica. A

presena do PEO no copolmero pode aumentar a biocompatibilidade do material,

originando a menor reao imunolgica possvel, quando usado como material de

implantes. Sabe-se que a sua propriedade mecnica varia com o tamanho da cadeia, e por

outro lado, trechos menores possuem maior facilidade de excreo pelo organismo.

Portanto, sintetizar uma nova cadeia de poli (xido de etileno) para atender essas duas

finalidades tornou-se tambm uma parte dos objetivos desse trabalho.

Resumidamente, este trabalho engloba as seguintes etapas:

Sintetizar e caracterizar copolmeros contendo segmentos de PLA e PCL, a partir de

PEG com massa molar de 20.000 u.m.a;

Sintetizar e caracterizar cadeias de PEG com pesos moleculares maiores, a partir de

PEG com 4.000 u.m.a;

11

Sintetizar e caracterizar o copolmero tribloco usando PLA, PCL e PEG sintetizado

no item anterior;

Realizar testes de biocompatibilidade.

PEG usualmente terminado em dois grupos hidroxila, os quais so facilmente

ativados pelo di(etil-hexanoato) de estanho (SnOct2), e reage como iniciador das reaes

para preparao de PLA e PCL por abertura de anel, possibilitando a formao de

copolmeros com estrutura tribloco poli(l,l-lactdeo-stat--caprolactona)-bloco-poli(xido

de etileno)-bloco-poli(l,l-lactdeo-stat--caprolactona) (Figura 2.1).

O CO

O CO

O CO

nm

y xn m

OCH2CH2O CO

O CO

O CO

x

Figura 2.1 Representao estrutural do copolmero tribloco.

12

3. REVISO BIBLIOGRFICA

3.1. POLISTERES

A maioria dos polisteres alifticos biodegradvel, sendo que os trs que mais se

destacam nesse grupo para o uso na rea biomdica esto representados na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 Os principais polisteres biodegradveis usados na rea biomdica.[5],[15],[22]

Polmero Sigla Frmula Tg (C) Tm (C)

Mdulo de

elasticidade

(GPa)

Tempo de

degradao

(meses)

Poli (cido

gliclico) PGA O

O

n

35-40 225-230 8,4 6-12

Poli (l-cido

lctico) PLLA O

O CH3

n

60-65 173-178 2,7 >24

Poli (-

caprolactona) PCL O

O

n

(-65)-(-60) 58-63 0,4 24-36

3.1.1.cido Lctico

cido lctico (cido 2-hidroxipropanico) um cido orgnico encontrado em

vrios produtos de origem natural. O primeiro relato do isolamento desse cido do leite foi

por volta do ano 1780 e, a solidificao pela sua prpria esterificao foi descoberta alguns

13

anos depois. A dimerizao formando lactdeo pela policondensao do cido lctico e sua

polimerizao pelo mecanismo de abertura de anel foram descritos por Carothers et al em

1932. Desde a dcada de 60 do sculo passado, as vantagens desse material na rea mdica

foram pesquisadas e reveladas, e em seguida, a fabricao desses polmeros foi realizada

em escala industrial. [1],[29]

Polisteres baseados em poli(cido lctico) (PLA), poli(cido gliclico) (PGA) e

seus copolmeros poli (cido lctico-co-cido gliclico) (PLGA) so os melhores

biomateriais para projetos numa vasta rea biomdica. cido lctico contendo um carbono-

assimtrico, o qual descrito tipicamente na forma D ou L, em termo de isomeria

clssica, ou apresentado em forma R e S, respectivamente, como mostra na Figura 3.1 Para

homopolmeros, as formas enantiomricas so poli (D-cido lctico) (PDLA) e poli (L-

cido lctico) (PLLA). PDLA e PLLA apresentam propriedades fsico-qumicas

semelhantes, so pticamente ativos em relao a feixe de luz polarizada, enquanto que o

PLA racmico tem caractersticas bastante diferentes. Por exemplo, as temperaturas de

transio vtreas de ambos so em torno de 60C, mas PLLA apresenta uma cristalinidade

bastante elevada com seu ponto de fuso, Tm de 170C; enquanto o PLA racmico

completamente amorfo.[29-30]

Figura 3.1 Estereoismeros de cido lctico.

14

Por ser a forma natural, o PLLA considerado mais biocompatvel. Os polmeros

so derivados de monmeros produzidos pelo metabolismo do corpo humano, a degradao

desses materiais considerada segura para usos in vivo. Para esta finalidade, os produtos

de degradao freqentemente definem a biocompatibilidade de um polmero no

necessariamente o polmero em si. Muito embora o PLGA seja extensivamente utilizado e

represente a nata dos polmeros degradveis, o aumento da acidez local devido

degradao pode levar a uma irritao durante a utilizao do polmero. A introduo de

sais bsicos tem sido investigada como uma tcnica de controle de pH no meio local dos

implantes de PLGA.[31-34]

3.1.1.1. Produo do cido lctico

L-cido lctico, a estereoforma presente nos organismos de mamferos, por

exemplo, produzido pelo msculo com atividade intensa no conhecido Ciclo Cori.

cido lctico pode ser produzido tanto por processos de fermentao quanto pelas rotas

sintticas existentes. Entretanto, a primeira opo ainda mais adotada por sua

simplicidade e baixo custo. Por isso, atualmente, somente um fabricante japons

(Musashino) e um americano (Sterling Chemicals Inc.) utilizam a rota de sntese qumica

para a produo de cido lctico racmico a qual est esquematizada na Figura 3.2. [33],[35-36]

15

(a) Adio do cido ciandrico

CH3CHO

aldedo actico

+ HCN

cido ciandrico

Catalisador

CH3CHOHCN

lactonitrila

(b) Hidrlise por H2SO4

CH3CHOHCN

lactonitrila

+ H2O + 1/2H2SO4

cido sulfrico

CH3CHOHCOOH

cido lctico

+ 1/2(NH4)2SO4 sulfato de amnio

(d) Esterificao

CH3CHOHCOOH

cido lctico

+ CH3OH

metanol

CH3CHOHCOOCH3

lactato de metila

+ H2O

(e) Hidrlise por H2O

CH3CHOHCOOCH3

lactato de metila

+ H2O CH3CHOHCOOH

cido lctico

+ CH3OH

metanol

Figura 3.2 Rota de sntese qumica na obteno de cido lctico.

A fermentao ocorre normalmente em processos por bateladas ou contnuos. Os

parmetros importantes na fermentao so valores de pH, temperatura, atmosfera e em

alguns casos, agitao.

16

Na fermentao por bateladas, o valor de pH geralmente mantido constante pela

adio dos agentes neutralizantes como CaCO3, Ca(OH)2, Mg(OH)2, NaOH, ou NH4OH.

Essa fermentao feita tipicamente comeando de 5% de concentrao de acar e com

presena de nitrognio-nutriente. A converso de 90-99% de cido lctico pode ser obtida

em dois dias. Em processo contnuo, os parmetros e os aditivos so semelhantes ao

primeiro e a sua vantagem a maior produtividade em relao ao outro.

Aps o processo de fermentao, em muitos casos, o cido lctico obtido

purificado para uma possvel polimerizao seguinte. Neutralizao com a base seguida por

uma filtrao, concentrao e uma acidificao o processo tradicional para a fabricao de

cido lctico de alta pureza. O processo de extrao lquido/lquido utilizado para a

recuperao de cido lctico e o processo baseado na esterificao com lcoois seguida por

uma destilao e hidrlise tambm uma das importantes rotas. Esses processos

mencionados acima podem ser usados combinados com as tcnicas de separao incluindo

ultrafiltrao, nanofiltrao etc. para obteno de produtos com melhor qualidade.

Segue abaixo o fluxo de processo de fermentao (Figura 3.3).

(a) Fermentao e neutralizao

C6H12O6

glicose

+ Ca (OH)2 hidrxido de clcio

Fermentao

(2CH3CHOHCOO- ) Ca2+

lactato de clcio

+ 2H2O

(b) Hidrlise por H2SO4

2(CH3CHOHCOO-) Ca2+

lactato de clcio

+ H2SO4

cido sulfrico

2 CH3CHOHCOOH

cido lctico

+ Ca SO4

sulfato de clcio

17

(c) Esterificao

CH3CHOHCOOH

cido lctico

+ CH3OH

metanol

CH3CHOHCOOCH3

lactato de metila

+ H2O

(d) Hidrlise por H2O

CH3CHOHCOOCH3

lactato de metila

+ H2O CH3CHOHCOOH

cido lctico

+ CH3OH

metanol

Figura 3.3 Rota de fermentao na obteno de cido lctico. [35]

3.1.1.2. Preparao de polmeros baseados em cido lctico

As propriedades de polmeros baseados em cido lctico variam muito dependendo

da distribuio e composio dos dois estereoismeros. Os polmeros podem ser fabricados

por diversas rotas de polimerizao, como mostrado esquematicamente na Figura 3.4. A

nomenclatura para esses polmeros se distingue pelas diferentes rotas de preparao, como

exemplos de polmeros derivados do cido lctico pela policondensao (PC) so

geralmente referidos como poli(cido lctico) e outros preparados a partir do lactdeo pela

polimerizao de abertura de anel (ring opening polymerization, ROP) so chamados

polilactdeo. Ambos os tipos podem ser encontrados na literatura, simbolizados por PLA,

embora muitos autores definam lactdeo como dmero cclico de cido lctico.[33-34]

18

Figura 3.4 Processo esquematizado de polimerizaes do PLA.

A desvantagem da PC que os polmeros obtidos tm baixa massa molar, e ento,

vrios estudos foram realizados para a elevao de massa molar como por exemplo

manipulando o equilbrio entre o monmero de cido lctico, gua e o poli (cido lctico)

em um solvente orgnico ou adio de agentes ramificados multifuncionais para obteno

de estruturas estrelares por exemplo. Na presena de agentes bifuncionais (diis,

dicidos, etc) do formas telequlicas aos polmeros os quais podem aumentar suas massas

molares com o uso de agentes ligantes de cadeias. A massa molar do poli(cido lctico)

sintetizado pela policondensao partindo do monmero de cido lctico relativamente

baixa, por isso, somente o processo de PC no seria suficiente para a produo de

polmeros de alta massa molar.

A segunda categoria de polimerizao pela abertura de anel. Esse processo

tambm inclui policondensao do cido lctico seguido por uma despolimerizao para

19

um dmero cclico desidratado, lactdeo (3, 6-dimetil-1,4-dioxano-2,5-diono), o qual pode

ser polimerizado pela ROP (ring opening polymerization) para obteno de polmeros com

alta massa molar. A despolimerizao convencionalmente feita pelo aumento da

temperatura da PC e abaixamento da presso, e destilao do lactdeo produzido. Devido

aos dois estereoismeros do cido lctico, o lactdeo opticamente ativo correspondente

pode ser encontrando em duas formas diferentes, isto , D,D-lactdeo e L,L-lactdeo (Figura

3.5). Alm disso, o lactdeo pode ser formado por uma molcula de D- e outra de L-cido

lctico, formando D,L-lactdeo (meso-lactdeo). O aumento da cristalinidade pode ser

manipulado tambm pela aplicao de uma tenso de orientao, induzida a

aproximadamente 10C acima da Tg, reorientando as cadeias durante o processamento do

material.

Figura 3.5 Estereoismeros de lactdeos.

A preparao dos polmeros baseados em cido lctico pela ROP pode ser realizada

em polimerizao em soluo, em massa, em suspenso ou polimerizao em estado

fundido. O mecanismo envolvido em ROP pode ser reao inica ou insero por

coordenao, dependendo do sistema do catalisador usado. Diversos tipos de catalisadores

foram testados ao longo do tempo: compostos metlicos de estanho (II), alumnio, zinco,

potssio, etc. Entre eles, o Sn(Oct)2, 2-etil-hexanoato de estanho mais utilizado, pois ele

20

aceito pela FDA (Food and Drug Administration) para fins alimentcios e mdicos em

inmeros pases.[37] Assim, o Sn(Oct)2 facilmente encontrado comercialmente

(ex.Cargill/Dow e Purac) para sntese do poli(cido lctico) para usos em rea mdica.

Alm disso, o Sn(Oct)2 apresenta solubilidade em solventes orgnicos e em monmeros de

steres cclicos, facilitando a reao. O sistema reativo do l,l-lactdeo com o Sn(Oct)2 gera

produtos de alta massa molar com baixa taxa de racemizao, conseqentemente,

melhorando as propriedades mecnicas dos poli(l,l-lactdeo).

O homopolmero de l-lactdeo tem caracterstica semicristalina. Portanto, seus

copolmeros exibem alta resistncia trao e pouco alongamento e, esse mdulo elevado

faz com que eles sejam mais adequados do que os outros polmeros amorfos para

aplicaes ortopdicas. [34] O poli(d,l-lactdeo) um polmero amorfo o qual contm uma

distribuio estatstica de seus dois ismeros, assim, impossibilitando a cristalizao da sua

cadeia, provocando reduo de suas propriedades mecnicas em relao ao primeiro.[38]

Porm, a degradao mais rpida desse material torna-o mais atrativo para sistemas de

liberao de drogas.

3.1.2. Poli (cido Gliclico)

Poli (cido gliclico) um material termoplstico rgido com alta cristalinidade (46

a 50%). Sua temperatura de transio vtrea e temperatura de fuso so 36C e 225C,

respectivamente. Por causa desta alta cristalinidade, PGA insolvel na maioria dos

solventes orgnicos. E pelo mesmo motivo, PGA tem a melhor propriedade mecnica entre

todos os polisteres biodegradveis (veja na Tabela 3.1). Semelhante ao PLA, o mtodo

preferencial para a produo de polmeros de alta massa molar ROP, quando Sn(Oct)2

21

usado como iniciador do sistema, a temperatura mais usual da reao de 175C e a

polimerizao dura entre 2 a 6 horas. [39] As tcnicas de processamento por extruso,

injeo e termoformagem viabilizam a produo de PGA em vrias formas, porm, a alta

sensibilidade degradao hidroltica do material requer um controle muito cuidadoso das

condies do processamento.[40] O material, ao sofrer a biodegradao, produz cido

gliclico, o qual um resultado natural do metabolismo corpreo, com carter inofensivo

ao organismo. Numerosos estudos foram feitos, provando a simplicidade de seu processo

de biodegradao por eroso homognea, reduzindo o tempo de sua biodegradao total.

Por isso, o PGA tem demonstrado maior aplicao na rea mdica como suturas

bioreabsorvveis. (Dexon, American Cyanamide Co) [41]

Na literatura, encontra-se uma quantidade considervel de estudos sobre

copolmeros de PLA-PGA, tambm denominado como PLGA. Pois o PLGA apresenta uma

degradao mais rpida comparado a quaisquer outros homopolmeros. [34] Um fio de

sutura pode ser absorvido pelo corpo em 3 meses, o que observado para o copolmero

PLGA (10/90), com nome comercial de Vicryl, desenvolvido pela Ehicon. Publicada em

1977, a pesquisa que analisou os copolmeros PLGA de vrias composies, comprovou

que o material PLGA (50/50) tem a menor meia-vida (Figura 3.6). Isto se deve ao fato da

estrutura do copolmero com 25-70% de glicoldeo ser amorfa, assim, a regularidade da

cadeia pode ser facilmente interrompida por outro monmero. O mesmo acontece com

outros copolmeros de poli(-caprolactona) e poli(cido lctico). [38]

22

Figura 3.6 Grfico de degradao de PLGA (tempo de meia vida X composio).[5] [38]

3.1.3. Poli(-caprolactona)

Poli(-caprolactona) um polister aliftico linear e semicristalino. A utilizao de

diferentes mecanismos de polimerizao pode afetar a massa molar, a sua distribuio e a

estrutura qumica de seus copolmeros produzidos. O mtodo mais comum a

polimerizao por ROP como no caso da polimerizao de PLA e PGA. [36]

A temperatura ambiente, o material solvel em vrios solventes orgnicos, tais

como clorofrmio, diclorometano, benzeno, tolueno, ciclohexano e 2-nitropropano.

pouco solvel em acetona, 2-butanona, acetato de etila e dimetilformamida e insolvel em

lcoois e teres.

Poli(-caprolactona) apresenta uma temperatura de transio vtrea na faixa de -

60C e a temperatura de fuso por volta de 60C. O homopolmero PCL apresenta um

23

tempo de degradao de aproximadamente 2 anos. [42-44] Os copolmeros de CL com D,L-

lactdeo foram sintetizados e investigados para elevar a taxa de degradao. Por ter

propriedades mecnicas inferiores como visto na Tabela. 1, blendas e copolmeros com

outros polisteres biodegradveis so produzidos e testados em inmeras pesquisas para

atingir as propriedades desejadas. Por exemplo, a presena do poli(-caprolactona) com

PGA apresenta rigidez inferior, quando comparado com homopolmero de cido gliclico

(PGA), [45-46] j existente no mercado, vendido como sutura monofilamentoso

MONOCRYL, tambm fabricado pela Ethicon.[5]

24

3.2. POLI(GLICOL ETILNICO)/POLI(XIDO DE ETILENO)

Os polmeros poli(glicol etilnico)s ou popularmente conhecidos como poli(etileno

glicol) e PEG, so molculas aparentemente simples. Eles apresentam estrutura linear ou

ramificada e so politeres neutros, solveis em gua e na maioria dos solventes orgnicos.

[47]

O

HO CH2CH2O HnCH2 CH2

Figura 3.7 Esquema de reao de sntese de poli(glicol etilnico)

PEGs possuem uma variedade de propriedades aplicveis na rea biomdica e

biotcnica. Isso porque primeiramente o PEG raramente efetivo para excluir outros

polmeros quando esto presentes num ambiente aquoso [48]. Essa propriedade mostra-se na

sua conjugao com protenas e na formao de sistemas bifsicos com outros polmeros.

Alm disso, o polmero atxico e no prejudicial s atividades proticas e celulares,

embora interaja com membranas celulares. Os PEGs tambm esto sujeitos s modificaes

qumicas e associaes com outras molculas, esse ltimo afeta muito pouco sua

propriedade qumica original, porm controla sua solubilidade e aumenta o seu tamanho de

cadeia, dependendo da quantidade da cadeia adicional. [49]

25

3.2.1. Propriedades do PEG

PEGs so chamados tambm de poli(xido de etileno), de modo geral, o poli(glicol

etilnico) se refere aos de massa molar abaixo de 20.000, poli(oxido de etileno) se refere a

polmeros de massa molar mais elevada.

Com o aumento da massa molar da cadeia, aumenta a cristalinidade da estrutura e,

conseqentemente, a viscosidade torna-se mais elevada, por isso, os PEGs que apresentam

massa molar abaixo de 1000 g.mol-1 so lquidos viscosos e incolores, os que apresentam

massa molar acima desse valor so brancos e quebradios. O ponto de fuso do slido

proporcional sua massa molar e varia na faixa de 30 a 60C. Os PEGs utilizados em

aplicaes mdicas e biotcnicas so os de massa molar desde 200 at 20000 g.mol-1. O

PEG geralmente preparado por uma iniciao aninica com pouca transferncia de cadeia

e terminao. Pode-se notar que, entretanto, os teres monometlicos do PEG exibem uma

larga distribuio da massa molar, por causa da presena do PEG de alta massa molar. Esse

PEG produzido a partir do seu terminal hidroxila agindo como um iniciador, por ser um

polmero bifuncional, ele cresce em ambos os lados e, sendo assim, apresenta um aumento

maior de massa molar. [50]

Quando o poli(glicol etilnico) adicionado gua, h uma reduo de volume e a

dissoluo envolve desprendimento de calor de 50-59 J/g (12-14cal/g) para uma mistura de

50/50 de gua e PEG de massa molar de 300-600, como se pode esperar para um estado

altamente estruturado na soluo. Para PEGs em estado slidos, essa reduo neutralizada

por um calor de fuso endotrmico maior, 155-192 J/g (37-46 cal/g), porque o calor de

dissoluo do PEG slido negativo, assim, uma aplicao do calor externo facilita sua

dissoluo.

26

A solubilidade em gua e em diferentes solventes orgnicos de diferentes PEGs

mostrada nas Tabelas 3.2 e 3.3, respectivamente. Geralmente, quanto menor for a massa

molar do PEG, maior a sua solubilidade. A solubilidade dos PEGs em solventes orgnicos

polares boa, mas pouco solvel em hidrocarbonetos e outros solventes com pouca

polaridade. Pode-se perceber pela tabela que a solubilidade tambm fortemente afetada

pela temperatura.

Tabela 3.2 Propriedades de poli(glicol etilnico) Carbowax [50]

PEGs Massa molar /

u.m.a

Ponto de fuso

(Tm)/ C

Solubilidade em gua

a 20C/ %, p/p

Viscosidade em 99C/

(cSt)

300 285-315 -15 at -8 completo 5,8

400 380-420 4-8 completo 7,3

600 570-630 20-25 completo 10,5

1000 950-1050 37-40 70 a 17,4

4600 4400-4800 57-61 50 a 160-230

8000 7000-9000 60-63 50 a 700-900

20M * 15000-20000 50-55 b 65 a 14500

a aproximadamente.

b ponto de amolecimento

PEG20M* composto do Carbowax, preparado pela condensao de PEGs de peso 8M com

o epxido multifuncional.

27

Tabela 3.3 Solubilidade de poli(glicol etilnico)s Carbowax, em % em peso. [50]

400 Blenda 540a 3350 Solvente

20C 50C 20C 50C 20C 50C

gua S S 73 97 62 84

Metanol S S 48 96 35 S

Acetona S S 20 S

28

3.3. POLIMERIZAO POR ABERTURA DE ANEL

O mecanismo de polimerizao por abertura de anel de l,l-lactdeo pode ser dividido

em 3 classes de reao: catinica, aninica e coordenao-insero. As duas primeiras so

consideradas rotas alternativas, sendo que a ltima mais utilizada industrialmente. [55-57]

A rota catinica precisa de cidos extremamente fortes para iniciar a reao e, alm

disso, a substituio nuclefila em carbono quiral pode causar a racemizao do produto,

assim, impedindo a obteno de polmero com taticidade e massa molar elevada. Essas

caractersticas tornam-na uma rota pouco vivel. [57-58]

A segunda alternativa de reao aninica normalmente iniciada por alcxidos de

metais alcalinos. Tanto a iniciao quanto a propagao consiste em um ataque nucleofilo

de um nion ao carbono carbonila do l,l-lactdeo seguido pela clivagem da ligao CO-O

do anel. A tcnica possibilita a desprotonao do monmero l,l-lactdeo, gerando um nion

lactdeo planar. Devida a essa planaridade, as reaes de protonao e desprotonao

podem levar ao produto racmico tambm e, conseqentemente, ao baixo controle

esteroqumico e baixa massa molar do produto. [59-61]

A rota mais provvel e mais importante via insero por coordenao. Essa

tambm a rota selecionada para sintetizar os copolmeros nesse trabalho. Os compostos

organometlicos tm sido utilizados nas copolimerizaes e copolimerizaes de poli(-

hidrxi cidos), com o objetivo de desenvolver catalizadores metlicos ativos de baixa

toxidez e controlar a microestrutura do polmero, o que afeta as suas propriedades

mecnicas e taxa de biodegradao. [62-64]

Neste trabalho foi usado o iniciador mais utilizado atualmente, di(2-etil-hexanoato)

de estanho (II) (Sn(Oct)2). A reao envolve duas etapas. Na primeira, o catalisador

29

Sn(Oct)2 reage com compostos doadores de hidrognio (hidroxilas, lcool, umidade contida

no sistema), co-catalisador, gerando o alcxido de estanho, considerado o verdadeiro

iniciador da reao. (1)

O sistema reacional deve ser mantido seco, pois a umidade pode provocar reaes

indesejveis[37]:

a) Competir com o co-iniciador impedindo a formao do copolmero de massa molar

elevado;

b) Decompor o catalisador e inativando-o a altas temperaturas no meio reacional;

c) Induzir a ocorrncia de reao de hidrlise do polister.

Em uma segunda etapa, o monmero cclico se insere entre a ligao Sn-OPEG

formada na etapa anterior, promovendo o crescimento da cadeia. (etapa da propagao).

Pesquisas foram anteriormente descritas [28],[65-67] descrevendo a formao de cadeia de

copolmeros de -caprolactona com l,l-lactdeo com estrutura estatstica. Assim, acredita-se

que a insero de l,l-lactdeo e -caprolactona seja totalmente estatstica como mostram as

equaes esquematizadas (2 e 3) na Figura 3.8.

OO

SnOO

RR + HO-(CH2-CH2-O)k-H

(CH2-CH2) O Sn O (CH2CH2)

+ 2 RO

OH

(1)

30

_

_

OOctSn CHCH3

C O CH C O RO CH3 O

_

ROOctSn_

_

O

OO

O

R = (CH2CH2-O)k

(2)

_

_

OOctSn CH2

_

ROOctSn_

_

O

O

5CO

O R

(3)

O

O

OO

CH3

CH3O

O

+_

_OOctSn CH2CH2 O +k

O C

O

O C

O

O C

O

nm

y x

n mOCH2CH2O C

O

O C

O

O C

O

x

(4)

Figura 3.8 Representao esquemtica das reaes da sntese do copolmero.

31

O aumento da concentrao do co-iniciador resulta em polmeros com massas

molares reduzidas. Kowalski[55] atribuiu este comportamento ao duplo papel desempenhado

pelo co-iniciador na formao do verdadeiro iniciador e como agente de transferncia. Na

ausncia de reao de transferncia, o Mn (massa molar mdia numrica) do polmero

cresce linearmente com a converso do monmero. Transferncias reduzem a massa molar

e aumentam a polidispersidade do homopolmero ou do copolmero final.

32

3.4. BIODEGRADAO

O processo de biodegradao e bioabsoro dos poli(-hidrxi cidos) descrito na

literatura como sendo uma sucesso de eventos. Exposto ao ambiente aquoso, inicialmente

o material sofre hidratao. Com a presena das molculas de gua, o processo de

degradao d-se atravs da hidrlise das ligaes steres, originando produtos na forma de

oligmeros (ou monmeros) solveis e no txicos. A degradao prossegue por um

processo biologicamente ativo (por enzimas) ou pela clivagem hidroltica passiva, sendo

caracterizada pela perda de massa, diminuio de massa molar ponderal mdia e pela perda

das suas propriedades mecnicas, como a resistncia trao e compresso.[68-70]

A reao de hidrlise pode ser descrita pela equao cintica cuja constante de

velocidade k e os reagentes so grupos carboxila e ster.

ROHCOOHOHHOOCCOOR ++ 22

Nos estgios iniciais da reao temos a equao cintica que relaciona a formao

de grupos carboxlicos ([COOH]) com o desaparecimento de grupos ster (-[ster]) em

funo do tempo:

dtsterkCOOH

COOHdsterCOOHkdt

COOHd ][][][]][[][ ==

Nos estgios iniciais da reao a concentrao [ster] muito elevada e a sua

variao muito pequena, de forma que se pode assumir nestas condies [ster] como

constante:

aster =][

Integrando-se a equao cintica obtm-se:

katCOOHCOOH

=

0][][ln

33

ou ainda:

)(0][][ akteCOOHCOOH =

Como [COOH] diretamente proporcional a e Mn pode-se escrever:

)(0

take =

)( takonn

MeMM =

Relacionando essas duas ltimas equaes de e Mn, chega-se deduo de

equao relacionada quela de Mark-Houwink, demonstrando o decrscimo exponencial da

viscosidade intrnseca () em relao massa molar (Mn).

o

n

n

M MM

kk

lnln0

=

ou ainda:

=

Mkk

no

n

MM

0

isto :

vvMK= (equao Mark-Houwink)

No observada a perda de massa na fase inicial da biodegradao, pois acontecem

apenas quebras de cadeias nessa etapa, transformando cadeias longas em pequenas. A

segunda fase caracterizada pela evidente perda de massa do material. Aps a primeira

etapa, as cadeias com baixa massa molar continuam produzindo fragmentos ainda menores,

facilitando a sua prpria difuso, aumentando a chance da ao da fagocitose. [71-76]

Dentre os produtos da hidrlise das ligaes steres, a presena de terminais cidos

catalisa a reao de degradao. Tal fenmeno chamado efeito autocataltico dos poli(-

34

hidrxi cidos). O processo homogneo inicialmente, quando os produtos da superfcie

difundem para o meio, entretanto, quando baixa a taxa de difuso dos produtos da reao

no interior do material, gera um acmulo de cidos, fazendo com que estruturas densas

tenham uma eroso inicial na superfcie, mas apresentem uma degradao mais acentuada

no centro. [77-82]

O efeito autocataltico foi avaliado e confirmado em estudos de degradao in vitro

de copolmeros dos poli(-hidrxi cidos). Os testes in vivo tambm demonstram essa

degradao de forma heterognea.

A bioabsoro pelo organismo ocorre quando a biodegradao gera produtos e

subprodutos com as caractersticas dos metablitos orgnicos, especificamente os cidos do

Ciclo de Krebs. Para os PLAs, ao terminar a hidrlise do material, a degradao segue o

processo de oxidao do cido lctico, que por sua vez so convertidos em cido pirvico.

Na presena da acetil coenzima A, ocorre a liberao de CO2 e, conseqentemente, a

decomposio em citrato. O citrato ser ento incorporado no Ciclo de Krebs, resultando

em CO2 e H2O, podendo sua eliminao ser feita atravs da urina, fezes e da respirao.

Nenhuma quantidade significativa de acmulo de resduos da degradao encontrada em

rgos vitais. O material ento foi absorvido e metabolizado.[83-86]

J o mecanismo da biodegradao do PCL iniciado por uma hidrlise abitica do

polmero para cido -hidrxi caprico. Em seguida, esse produto degradado em ciclo de

TCA (cido tricarboxilico). [87-88]

H muitos fatores que influenciam a reao do corpo presena de um implante

biodegradvel. A resposta pode estar relacionada com o tamanho e com a composio do

implante, da mesma forma que o local do implante. A taxa de degradao do polmero e a

35

capacidade do local do implante de eliminar o composto degradado tm um papel muito

importante na reao do tecido ao implante.[89-90] Se o tecido do local no puder eliminar os

produtos cidos de um implante de rpida degradao, ento poder haver uma reao

inflamatria ou txica. [91]

A degradao in vitro mostra-se como uma boa alternativa quando comparados aos

estudos in vivo, sendo fundamentais e necessrios. Os custos so menores, o processo pode

ser acelerado e as condies do ensaio, como temperatura, pH, produtos e subprodutos de

degradao, podem ser quantificados e monitorados.

3.4.1. Fatores que Influenciam a Degradao

A taxa de degradao influenciada por fatores de configurao estrutural, tais

como o grau de copolimerizao, cristalinidade, massa molar, morfologia, quantidade de

monmero residual e porosidade, ambiente do implante etc. [92-95]

3.4.1.1. Localizao do Implante

Na localizao do implante, deve-se levar em conta a vascularizao local e a

solicitao mecnica. Se um polmero bioabsorvvel implantado num local de alta

vascularizao (grande atividade vital), sua velocidade de degradao ser mais rpida em

relao a uma regio menos vascularizada, de funes passivas. Locais de grande

solicitao mecnicos tambm tm sido descritos como aceleradores da degradao.

36

3.4.1.2. Composio Qumica

No exemplo do poli(cido lctico), a quiralidade do carbono permite a sntese de

compostos enantimeros, dando origem uma famlia de polmeros: poli(L-cido lctico)

(PLLA), poli(D,L-cido lctico) (PDLLA) e copolmeros em diferentes propores. Devido

distribuio aleatria das unidades L e D na cadeia polimrica, o polmero racmico no

possui domnios cristalinos, sendo um material amorfo e com propriedades mecnicas

significativamente menores quando comparado ao semicristalino PLLA, o que j foi

relatado com mais detalhes no item anterior 3.1.1. Por isso, enquanto o PLLA demora mais

de 2 anos para degradar, o PDLLA leva um tempo bem menor em sua degradao.

Os grupos hidroflicos, tais como -NH, -COOH, -OH e -NCO, entre outros,

auxiliam o processo de degradao. Assim, o grupo metila presente nas cadeias de PLA

responsvel pelo impedimento estreo na reao de hidrlise. Dessa forma, a presena de

unidades de cido gliclico favorece a penetrao da gua e conseqentemente a taxa de

degradao. Vrias pesquisas e estudos foram feitos baseados nessas informaes a fim de

descobrir um copolmero PLGA que melhor atenda s necessidades de controle do tempo

de degradao e ao mesmo tempo, no deixe a desejar em suas propriedades mecnicas.[38]

Os estudos de biodegradao realizados tanto in vivo quanto in vitro verificaram a

biocompatibilidade do PLA e PGA. Bergsma e seus colaboradores realizaram um estudo

em pacientes que receberam implantes de PLLA para fraturas zigomticas. Eles removeram

e analisaram o material depois de 3,3 at 5,7 anos. Algumas partculas de alta cristalinidade

de PLLA ainda permaneceram depois desse perodo. Essas partculas no so danosas s

clulas, mas induzem uma reao na forma de inchamentos locais.

37

3.4.1.3. Cristalinidade

Devido disposio espacial das cadeias polimricas, o efeito da cristalinidade

influi na taxa de absoro de gua pelo polmero. O primeiro estgio de degradao

consiste na penetrao e difuso das molculas de gua nas regies amorfas do material, e

subseqente ciso hidroltica das ligaes steres das cadeias polimricas. A segunda etapa

se d quando parte considervel da regio amorfa est degradada, e prossegue no centro dos

domnios cristalinos. A literatura descreve um aumento porcentual da poro cristalina

devido absoro dos fragmentos pela rede cristalina e pela formao de novos cristais,

atravs do rearranjo das cadeias de menor massa molar originadas no processo de

degradao. [72]

3.4.1.4. Massa molar

Polmeros com alta massa molar so extremamente durveis. As amostras de

pequena massa molar so mais susceptveis degradao, devido habilidade de fcil

transporte intracelular. Entretanto, essas macromolculas com baixa massa molar tm

utilidades muito limitadas apesar dessa propriedade vantajosa. [70]

3.4.1.5. Reticulao

As ligaes cruzadas reduzem consideravelmente a taxa de degradao mesmo

quando uma molcula apresente massa molar pequena. As cadeias lineares aumentam a

susceptibilidade da molcula ao ataque enzimtico, promovendo assimilao do micro

organismo. [70]

38

3.4.1.6. Morfologia

A influncia da porosidade e geometria do suporte polimrico tambm relatada

como um dos fatores determinantes na velocidade de degradao e induo ao crescimento

celular.

Vrios estudos revelam que a invaso e o crescimento celular esto diretamente

relacionados com o tamanho dos poros e a cristalinidade do material. Para muitos

polmeros biodegradveis e bioabsorvveis, na faixa de 50-150m, quanto maior o tamanho

do poro do material maior a facilidade de ancorar e crescer as clulas devido facilidade

de difuso dos nutrientes dos fluidos orgnicos locais.

Em muitos casos, durante a degradao in vivo, PLA e PGA produzem solues

txicas provavelmente em conseqncia da degradao produzir cido. Esta a

preocupao principal nas aplicaes ortopdicas onde requerem os implantes com

tamanhos considerveis, que pode resultar em uma liberao de produtos de degradao

com concentraes cidas locais elevadas. Um outro ponto preocupante a liberao de

partculas pequenas durante a degradao, podendo provocar uma resposta inflamatria.[73]

39

3.5. ENGENHARIA DE TECIDOS

Engenharia de tecidos um novo campo multidisciplinar que envolve a aplicao

dos princpios e mtodos de engenharia de materiais junto aos conhecimentos das reas

biolgicas e mdicas. A grande vantagem da engenharia de tecidos a superao dos

limites de tratamentos convencionais baseados em transplantes de rgos ou implantes de

biomateriais dentro do corpo humano. [50-54] Em princpio, pode-se produzir substitutos

artificiais imunologicamente tolerantes de rgos e de tecidos danificados que podem

crescer no paciente. Isso conduzir a uma soluo permanente, sem a necessidade de

terapias suplementares a longo prazo. [71],[74]

Essa nova engenharia trata resumidamente de um cultivo de clulas in vitro e em

seguida, introduo em estudos in vivo. A dificuldade de insero direta e proliferao de

clulas trouxeram a necessidade de uma matriz pr-implantao a qual chama-se scaffold,

suporte de crescimento celular. Antes do implante, o processo de cultivao de clulas

segue o fluxograma abaixo:

40

(a) Oxignios de nutrientes apropriados

so fornecidos, atravs do scaffold

poroso para criar um ambiente

adequado para o crescimento celular.

(b) As clulas so depositadas na

superfcie do scaffold.

(c) As clulas comeam a proliferar-se e

migram para dentro dos poros da

matriz.

(d) As clulas colonizam inteiramente os

poros do scaffold e comeam a

construir a sua prpria matriz

extracelular.

(e) Muitas vezes, as camadas superiores de

clulas consomem a maior parte do

oxignio e nutrientes, dificultando a

difuso deles e conseqentemente a

imigrao das mesmas. Pp simboliza a profundidade de penetrao

Figura 3.9 Diagrama esquemtico de cultivo de clulas. [77]

41

Vrios requisitos foram identificados para a produo de scaffolds na engenharia de

tecidos.

(1) O scaffold deve possuir poros interconectados de escala apropriada para

favorecer a integrao e a vascularizao do tecido.

(2) O material do scaffold deve apresentar biodegradabilidade para que

eventualmente seja substitudo pelos tecidos vivos.

(3) Deve ter superfcies com propriedades qumicas adaptadas para favorecer o

ancoramento e crescimento de clulas.

(4) Possuir propriedades mecnicas adequadas de acordo com o local pretendido

de implante.

(5) No devem induzir nenhuma resposta inflamatria.

(6) Sejam fabricados facilmente em uma variedade de formas e tamanhos.

Atendendo a todas essas exigncias, diversos materiais podem ser selecionados para

a fabricao do scaffold.

Inicialmente, materiais cermicos sintticos e naturais inorgnicos (hidroxiapatita e

fosfato triclcio) foram investigados como candidatos de confeco de scaffold na rea de

engenharia de tecidos sseos. Isso porque estes materiais cermicos assemelham-se ao

componente inorgnico natural do osso e tem propriedades de osteocondutividade.

Entretanto, esses cermicos so inerentemente frgeis embora se ajustem s propriedades

naturais do osso. Pode-se interpretar que o sistema sseo funciona como uma matriz

polimrica reforada com partculas cermicas, o polmero a protena colgeno, e

representa aproximadamente 30% do peso total, e a hidroxiapatita, 70%.

42

Porm, os scaffolds cermicos no podem ser apropriados para crescimentos de

clulas de tecidos macios (tecido do msculo de corao) os quais requerem propriedades

mecnicas diferentes. Assim, os polmeros sintticos e naturais tornaram-se uma alternativa

verstil para a construo de scaffolds da maioria dos tecidos. [79]

Existem vrios mtodos na fabricao desses suportes: evaporao de solvente com

adio e lixiviao de sal, inverso de fase, extruso, FDM (Fused Deposition Modelling),

essa ultima tcnica permite a confeco de scaffolds com maior preciso em escala

nanomtrica.

Os polisteres sintticos e seus copolmeros ou blendas citados no captulo anterior

so muito usados para a fabricao de scaffolds.

43

4. PARTE EXPERIMENTAL

4.1. Materiais

Os reagentes e solventes qumicos utilizados neste trabalho foram utilizados como

recebidos, quando no mencionado nenhum tratamento especfico para purificao:

2-Etil-hexanoato de estanho procedncia: Aldrich;

Clorofrmio P.A - procedncia: Casa Americana, Vetec;

Clorofrmio-d procedncia: Cambridge Isotope laboratories.Inc;

-caprolactona - procedncia: Aldrich, pureza 99%;

Hexano-1,6-diisocianato procedencia: Sigma;

Hexano P.A procedncia: Casa Americana;

L,l-lactdeo (3,6,dimetil-1,4 dioxano-2,5 diona) - procedncia: Aldrich, pureza

98%;

Poli(glicol etilnico) de massa molar 4000 u.m.a (PEG4K) - procedncia:

Oxiteno do Brasil;

Poli(glicol etilnico) de massa molar 20.000 u.m.a Carbowax 20 M (PEG20K)

procedncia: Supelco.;

Tetrahidrofurano (sem inibidor) procedncia: Tedia Brasil;

4.2. Equipamentos:

Alm dos equipamentos comuns necessrios para a realizao da pesquisa, tais

como vidraria, balana analtica, etc. Utilizaram-se tambm os seguintes equipamentos:

Cmara Glove-box;

44

Calormetro diferencial exploratrio - DSC 50 da Shimadzu; - equipamento

pertencente ao IPEN

Analisador termogravmetro TGA 50 da Shimadzu; - equipamento pertencente

ao IPEN

Analisador trmico dinmico-mecnica (DMTA) Rheometric Scientific

modelo DMTA-V.

Microscpio tico de luz polarizada (MOLP) Olympus BX50; aquecedor

Mettler Toledo FP82HT; processador Mettler Toledo FP90.

Microscpio eletrnico de varredura (MEV) Phillips modelo XL-30.

Difratometro de Raio-X Phillips modelo MPD 1880.

Espectrometro de ressonncia magntica nuclear (RMN) modelo Bruker 200

equipamento pertencente a Central Analtica do Instituto de Qumica USP

4.3. Metodologia

Como dito anteriormente, a parte experimental engloba 3 etapas: (1) sntese de

copolmero tribloco com PEG20K, (2) sntese de PEG4K modificado, e por ltimo, (3)

sntese do copolmero tribloco utilizando o PEG4K modificado. A polimerizao foi

efetivada atravs da reao por abertura de anel, a razo molar entre os reagentes foi pr-

determinada segundo Castro e Wang [28] As cadeias desses copolmeros foram planejadas

para manter um trecho de PEG como segmento central, enquanto segmentos formados por

LA e CL crescem com estrutura aleatria a partir de seus grupos terminais.

45

4.3.1. Procedimento geral para sntese de copolmero tribloco com PEG20K (1)

Na cmara glove-box , purgada com nitrognio, foram realizadas as pesagens dos

reagentes. Para o copolmero 1, foi mantida na alimentao, a seguinte proporo mssica

entre os reagentes: LA:CL:EO = 30:45:25. Preparou-se primeiramente o PEG e o

catalisador (octanoato de estanho) no balo, fechado com parafilme para evitar qualquer

contato com a umidade do ar. Feito isso, o balo foi levado para um banho de silicone pr-

aquecido a 70C a fim de obter uma ativao mais homognea. Aps 1 hora de ativao, o

balo foi retirado do banho, transferido para dentro da cmara seca e introduzidos os

reagentes restantes LA e CL. O recipiente foi selado novamente em atmosfera seca e

levado a outro banho de silicone a 120C sob agitao magntica. Esta reao teve a

durao de 168 horas (1 semana). O copolmero obtido foi dissolvido em clorofrmio e

precipitado em hexano a baixa temperatura (8-10C). O produto ento foi seco ao ar livre

por 24 horas e a vcuo por 72 horas.

O copolmero 2 seguiu a mesma rota de sntese do primeiro, diferindo-se do anterior

no tempo das reaes, 2 horas e 336 horas (2 semanas) para a ativao e a polimerizao,

respectivamente .

O copolmero 3 apresentou uma composio diferente na alimentao, com um

pequeno aumento da frao do LA, objetivando uma melhoria na propriedade mecnica do

material, a razo mssica LA:CL:EO = 45:30:25 foi utillizada. E o tempo da ativao e o

da reao igual a do copolmero 2, 2 horas e 336 horas (2 semanas), respectivamente.

A rota desses procedimentos simplificada no seguinte fluxograma.

46

Preparao

(clculo de quantidade, secagem do material, preparao no glove-box)

Ativao do PEG (com Sn(Oct)2 e PEG pr-determinado, reagindo por 1 ou 2 horas no banho a 120C)

Dissoluo e Precipitao (O produto da reao dissolvido em CHCl3 e precipitado em hexano)

Reao (PLA, PCL e PEG j ativado, reao por 1 ou 2 semanas a 120C)

Secagem (Ao ar livre por 24 horas e em seguida no estufa a vcuo por 72 horas)

Figura 4.1 Fluxograma do procedimento da copolimerizao.

47

Esses trs copolmeros obtidos apresentam a cor branca fosca levemente amarelada

com aspecto elastomrico.

4.3.2. Sntese de PEG modificados (PEG-MODIF) a partir de PEG com 4000 u.m.a.

(PEG 4K) (2)

4.3.2.1. Fundamentos tericos e clculos

Para promover a melhoria de sua propriedade mecnica, foi necessrio sintetizar um

poli(glicol etilnico) com massa molar mais elevada baseado em trechos menores a fim de

facilitar a quebra de cadeias e sucessivamente a sua biodegradao.

Foi selecionado o reagente hexano-1,6-diisocianato (industrialmente chamado HDI)

como extensor para reagir com o PEG de massa molar de 4.000 u.m.a, aumentando o

tamanho da cadeia. O procedimento para a sua obteno est esquematizado na Figura 4.2:

OHm

CH2 CH2OH6CH2 N C ONCO +

HDI PEG

6CH2 NN

H H

CCOO

O O

CH2 CH2 Om

CH2 CH2Om

PEG modificado com ligao uretana.

Figura 4.2 Esquema da extenso da cadeia de PEG 4000 com 1,6-hexametileno-

diisocianato

48

O diisocianato reage como um ligante entre as cadeias PEGs, assim a cadeia

cresce, tendo sua maior parte constituda por poli(glicol etilnico). Segundo Carothers, o

controle estequiomtrico expresso pela Equao 1:

Xn = (1+r)/(1+r-2rp) Equao 1.

Onde: r = razo molar dos reagentes;

p = converso dos grupamentos funcionais;

Xn = grau de polimerizao.

Supondo que a reao tenha converso completa, ou seja, o valor do p igual a 1, a

equao pode ser reescrita:

Xn = (1+r)/(1-r) Equao 2.

Para uma massa molar de 50.000 u.m.a como produto da reao, sendo massa molar

de HDI igual a 168,2 u.m.a, e PEG 4.000 u.m.a, tem-se:

50.000/(168,2+4000) = (1+r)/(1-r)

Obtendo-se, ento o valor de r = 0,846;

nHDI/nPEG = 0,846

O valor pr-estabelecido de PEG foi de 20g para esta reao, assim:

nHDI = 0,846 x (20/4000); nHDI = 0,00423;

49

A quantidade a ser adicionada de HDI : 168,2 x 0,00423 = 0,712g;

Uma quantidade mnima de solvente, no caso, o clorofrmio, foi adicionado para

homogeneizar os reagentes a fim de promover uma completa reao.

A reao de formao de uretano extremamente rpida e exotrmica, porm, neste

trabalho estabelecemos o tempo da reao em 15 horas para garantir converso completa,

possibilitando que alta massa molar seja atingida. A temperatura da reao foi 75C.

4.3.2.2. Procedimento da sntese de poli(glicol etilnico)s a partir de PEG com 4000

u.m.a. (2)

Os reagentes e a vidraria necessrios foram introduzidos na cmara glove-box,

purgada com nitrognio. A umidade relativa foi mantida abaixo de 15%. As quantidades

pr-estabelecidas de reagentes foram pesadas dentro da cmara e colocadas no balo de

reao. Este balo foi fechado e selado com parafilme e em seguida, retirado da cmara

seca e imerso num banho aquecido de silicone a 75C. A reao durou 15 horas sob

agitao constante tanto do banho, como na reao dentro do balo. O copolmero obtido

foi dissolvido em clorofrmio e precipitado em hexano e, em seguida, foi seco ao ar livre

primeiramente por 24 horas e depois a vcuo por 72 horas. O produto final apresentou-se

como slido com cor branca.

50

4.3.3. Sntese de copolmero tribloco Poli(PLLA-CL-b-PEG-b-PLLA-CL)a partir de PEG

-MODIF (3)

Foi utilizado um procedimento semelhante quele descrito em 4.3.1, porm o PEG

modificado necessitou de ser dissolvido em quantidade mnima de tetrahidrofurano (THF)

seco antes de ser ativado. Por causa da evaporao do solvente na temperatura relativamnte

alta da reao, foi necessrio o uso de sistema de refluxo purgado com N2 para manter a

reao em ambiente seco e inerte.

Os copolmeros 4 e 5 foram preparados atravs desse procedimento, diferem-se um

do outro pela composio na alimentao. O copolmero 4 tem a razo mssica LA:CL:EO

= 30:45:25, igual aos copolmeros 1 e 2, enquanto o copolmero 5 tem a razo mssica

LA:CL:EO = 45:30:25, igual ao copolmero 3.

Tabela 4.1 Condies utilizadas para preparao dos copolmeros triblocos estudados.

Amostra Composio (%)

LA:CL:EO

Tempo de

ativao

Tempo de

reao

Solvente

Copolmero 1 30:45:25 1 hora 168 horas ____

Copolmero 2 30:45:25 2 horas 336 horas ____

Copolmero 3 45:30:25 2 horas 336 horas ____

Copolmero 4 30:45:25 2 horas 336 horas THF

Copolmero 5 45:30:25 2 horas 336 horas THF

51

5. CARACTERIZAO E RESULTADOS

5.1. Ressonncia Magntica Nuclear (RMN-13C e RMN-1H)

RMN uma tcnica bastante usada para determinao de estruturas de compostos.

O princpio do funcionamento baseado na aplicao de um campo magntico externo,

com a interao spin-spin apresentando uma energia envolvida para cada prton na

molcula. Conseqentemente, consegue-se identificar a configurao estrutural. Desde que

a eficincia da relaxao longitudinal seja tal que se verifique a distribuio de Boltzman, a

razo entre as intensidades das bandas de absoro medida pelas reas que elas envolvem,

a prpria razo do nmero de prtons em cada grupo. [96-100]

Neste trabalho, a anlise dos espectros RMN-1H e RMN-13C dos copolmeros

dissolvidos em CDCl3, permitiu a sua caracterizao qualitativa e quantitativa.

No caso do copolmero tribloco poli(l,l-lactdeo-stat--caprolactona)-bloco-

poli(xido de etileno)-bloco-poli(l,l-lactdeo-stat--caprolactona), foi preciso a anlise das

duas tcnicas em conjunto, pois em RMN-1H, os sinais de metila e metilenos, multipletos,

de LL e CL, respectivamente, so muito prximos, dificultando a interpretao devido

baixa resoluo dos espectros. J no RMN-13C, com a ampliao na regio de 170ppm, os

picos de carbonila de caprola e lactidila podem ser facilmente distinguidos. Por outro lado,

no espectro de RMN-1H, o metileno da cadeia principal do PEG observado com grande

intensidade na regio 3,6-3,7ppm.

Os espectros das cinco amostras de RMN-13C ampliados na regio 170ppm so

apresentados nas Figuras 5.1 a 5.5. E os deslocamentos qumicos da carbonila das trades

52

relevantes so mostrados na Tabela 5.1. Os resultados esto de acordo com os dados da

literatura.

167.5168.0168.5169.0169.5170.0170.5171.0171.5172.0172.5173.0173.5174.0174.5

Figura 5.1 Espectro de RMN-13C do copolmero 1.

167.5168.0168.5169.0169.5170.0170.5171.0171.5172.0172.5173.0173.5174.0174.5


53

167.5168.0168.5169.0169.5170.0170.5171.0171.5172.0172.5173.0173.5174.0174.5


167.5168.0168.5169.0169.5170.0170.5171.0171.5172.0172.5173.0173.5174.0174.5


54

167.5168.0168.5169.0169.5170.0170.5171.0171.5172.0172.5173.0173.5174.0174.5


Tabela 5.1 Diferentes trades e seus picos caractersticos em copolmeros. [28]

Seqncia Trade Ressonncia de

carbonila, ppm

Seqncia Trade Ressonncia de

carbonila, ppm

CL-CL-CL 173,504 0,026 LL-LL-CL 170,344 0,012

LL-CL-CL 173,434 0,020 CL-LL-CL 170,244 0,013

CL-CL-LL 172,852 0,028 CL-LL-LL 170,098 0,012

LL-CL-LL 172,796 0,017 LL-LL-CL 169,741 0,012

LL-LL-LL 169,588 0,010

A Tabela 5.1 mostra os picos caractersticos dos trechos caprola e lactidila na

regio de 169 174 ppm. Nos copolmeros 3 e 5, a rea onde indica a participao do PLA

maior em relao rea do PCL, compatvel com a maior alimentao de LL nessas duas

amostras. A integrao de cada sinal de carbonila no espectro considerada

55

quantitativamente proporcional concentrao relativa das unidades caprola e lactato

(meia unidade do lactdeo). A converso de mols de carbonila, determinados por RMN-13C,

em quantidades molares relativas permite a obteno de concentraes relativas de

segmentos LL e segmentos CL (Tabela 5.2), sendo o clculo feito pela equao 3.:

ba

b

a

CLLL

22

== Equao 3.

Onde: a = rea integrada dos sinais de carbonila do LA.

b = rea integrada dos sinais de carbonila do CL.

Utilizando-se o clculo da razo molar, a razo em massa tambm pode ser obtida

multiplicando pela massa molar de cada componente.

Tabela 5.2 Razo molar e razo mssica obtidas dos espectros de RMN-13C.

Copolmero 1 Copolmero 2 Copolmero 3 Copolmero 4 Copolmero 5

LA:CL (molar %) a 48:52 53:47 71:29 59:41 77:23

LL:CL (molar %) b 32:68 36:64 55:45 42:58 63:37

PLA:PCL (massa %) 37:63 42:58 61:39 48:52 68:32 a razo molar obtida diretamente do espectro de RMN-13C.

b razo molar obtida da Equao 3.

Nota-se a coerncia entre as porcentagens de PLA:PCL calculadas pelo espectro

RMN-13C e as da alimentao. Nos copolmeros 1, 2 e 3 , a variao oscila em torno de 2%

comparando com os dados da alimentao. Entretanto, no caso do copolmero 4 e do

copolmero 5, essa alterao subiu para mais de 8%. Apesar disso, a presena de LA ainda

56

est muito abaixo da esperada [28]. O resultado tambm esclarece o porqu do material

apresentar um aspecto predominante de slido viscoso. Segundo Castro e Wang[28], no

copolmero estatstico de PLA-PCL, a reatividade de LL apresenta-se maior em relao a

CL. Isto , para 40% e 60% de monmero de lactdeo na alimentao, obteve-se 76% e

90% de LL calculado pela RMN-13C, o que no ocorreu neste trabalho. O anel lactdeo

considerado apolar por apresentar sua estrutura simtrica, em oposio ao -caprolactona

que apresenta polaridade. Contudo, a cadeia PEG extremamente polar, por ter massa

molar elevada, a sua polaridade ao longo da cadeia pode afetar a reatividade do LL em

relao ao CL, diminuindo a velocidade de reao do LL, por limitar a sua solubilidade

local. No caso dos copolmeros 4 e 5, a presena do solvente THF serviu como

minimizador das interaes dipolares entre o PEG e LL, por ter polaridade relativamente

menor que PEG e pelo fato do PEG estar dissolvido nele. Outro motivo pode ser atribudo

ao fato do tempo de reao relativamente mais longo, comparado aos observados na

literatura. O tempo prolongado pode promover a maior homogeneizao na incorporao

dos reagentes.

Na Figura 5.6, analisando-se os espectros de RMN-1H dos cinco copolmeros com o

auxlio da Tabela 5.3, confirma-se a efetivao da reao de copolimerizao com

formao da estrutura tribloco, pois na regio 4,1 ppm, apareceram em todos os espectros,

os sinais caractersticos da ligao metileno da cadeia PEG com a PLA e PCL, indicando o

sucesso da ativao nas extremidades da PEG e, conseqentemente, a reao por insero

dos trechos PLA e PCL. Porm, na mesma regio, um tripleto tpico de CL observado em

57

conjunto. Esse sinal aparece mais forte nos copolmeros 1, 2 e 4, onde h maior presena da

unidade caprola, coerente com a anlise anterior de RMN-13C.

0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0

Copolmero 1

Copolmero 2

Copolmero 3

Copolmero 4

Copolmero 5

Figura 5.6 Picos caractersticos dos copolmeros por RMN-1H

58

Tabela 5.3 Picos caractersticos do RMN-1H.

Estrutura Pico de RMN-1H[51]

(ppm)

Nos copolmeros

C CH LacO CH3

Lac a

5,2 presente

C CH CapO CH3

Lacb

5,12 presente

C CH LacO CH3

Cap c

5,02 presente

C CH CapO CH3

Cap d

4,95 ausente

PEG O CH2 CH2 O CH2 CH2 O Cap

e f

3,6 (e); 4,05 (f) presente

PEG O CH2 CH2 O CH2 CH2 O Lac

g h

3,7 (g); 4,1 (h) presente

i

C CH2 CH2 O CapO

Cap

3,9 ausente

O pico singleto em 3,65 ppm atribudo aos prtons metilenos centrais do bloco

PEG. A grande intensidade desse sinal demonstra o grande bloco da cadeia, de acordo com

a quantidade de PEG introduzida na alimentao. Para calcular a proporo molar entre as

59

unidades xido de metileno e lactdeo, foi escolhida a rea correspondente regio dos

picos 5,0-5,2 ppm, os quais marcam a presena de metino do PLA, e o pico relativo

cadeia de PEG a 3,4-3,7.

O clculo foi feito pela integrao das reas. O PEG utilizado tem a massa molar

inicial de 20.000 u.m.a, isto corresponde ao grau de polimerizao, DP = 454. Assim, pode-

se obter o nmero de unidades constitutivas de lactato, LAn, ou lactdeo, LLn.

a

bDPLLLLa

bDPLA nnn.22..4 === Equao 4.

onde: a= integrao da rea relativa aos metinos da unidade LA (5,1-5,3ppm).

b= integrao da rea relativa aos metilenos do PEG (3,4-3,7ppm).

A estimativa da concentrao relativa de PCL pode ser feita por diferena, tendo-se

a concentrao relativa de PEG/ PLA e conhecendo-se a concentrao relativa PLA/PCL,

obtida por RMN-13C (Tabela 5.2). Alm disso, conhecendo-se a massa molar inicial do

PEG utilizado igual a 20.000 u.m.a, possvel calcular a massa molar mdia numrica.

000.20. ++= PCLnPLAncopolmero MnCLMnLLMn Equao 5.

1

1

.114

.144

=

=

molgMnmolgMn

PCL

PLA

60

Tabela 5.4 Composio dos copolmeros triblocos por RMN-13C e RMN-1H.

Composio (em massa %) Amostra

Nominal Copolmero

Mn do copolmero

(g.mol-1)

PEG20K LA CL PEG20K LA CL

Copolmero 1 25 30 45 26,2 27,2 46,6 76300

Copolmero 2 25 30 45 27,0 30,4 42,6 74200

Copolmero 3 25 45 30 25,6 45,2 29,2 78300

Calculou-se a massa molar apenas para os copolmeros 1, 2 e 3. A massa molar do

PEG estendido com 1,6-hexametilenodisiocianato ainda no foi determinada devido a

dificuldades experimentais para a sua realizao, impedindo no momento a avaliao das

Mns dos copolmeros 4 e 5.

Entre os primeiros trs copolmeros, o copolmero 3 se destaca com uma maior

concentrao de LL, reafirmando a sua maior converso. Todos os resultados confirmaram

que nos copolmeros formados, a proporo PEG/PLA/PCL apresenta valor prximo da

alimentao.

A pequena diferena observada entre a composio na alimentao e composio

calculada pode ser causada pelas diferenas nas constantes de velocidade das reaes

envolvidas. O objetivo foi sintetizar o copolmero tribloco poli(l,l-lactdeo-stat--

caprolactona)-bloco-poli(xido de etileno)-bloco-poli(l,l-lactdeo-stat--caprolactona),

tendo a cadeia PEG como o segmento central ligado aos blocos formados por PLA-PCL.

Como as ligaes LL e CL cadeia PEG so estatsticas, isto , no apresentam uma ordem

61

especfica, a composio depende das condies experimentais, tais como, temperatura,

presso, meio reacional, composio dos reagentes, entre os fatores mais relevantes. Alm

disso, pode existir outra arquitetura de cadeia no produto final, tal como o copolmero

dibloco PEG-b-(PLA-stat-PCL), quando somente uma extremidade do PEG for ativada, ao

invs da ativao em ambas as extremidades.

De forma geral, pode-se concluir atravs das anlises RMN que, primeiramente,

houve a copolimerizao com formao do copolmero tribloco esperado poli(l,l-lactdeo-

stat--caprolactona)-bloco-poli(xido de etileno)-bloco-poli(l,l-lactdeo-stat--

caprolactona). O tempo mais longo de reao favorece a formao do copolmero. A

incorporao de grupos lactdeo no apresentou a reatividade relativa maior em relao aos

grupos caprola, como reportado na literatura [28]. A no homogeneidade dos produtos

(formao de copolmeros dibloco e tribloco) pode ser evitada pela diminuio da

quantidade de iniciador e maiores cuidados durante manuseio para impedir a entrada de

umidade e oxignio.

62

5.2. Anlise trmica dinmico-mecnica (DMTA)

Com a aplicao de uma pequena tenso senoidal de uma freqncia angular,

possvel obter os valores de propriedades como mdulo de armazenamento, mdulo de

perda e demais informaes a respeito do comportamento viscoelstico do material. A

partir dessas variveis, pode-se correlacionar propriedades mecnicas dos materiais

polimricos, tais como tenacidade, resistncia ao impacto, etc. Uma das utilizaes mais

comuns da tcnica de DMTA ocorre tambm na determinao da temperatura de transio

vtrea (Tg), temperatura de fuso (Tm) e temperatura de cristalizao (Tc). Essas

temperaturas caractersticas so detectadas por uma mudana brusca no mdulo de

armazenamento do material ou definidas atravs de mximos nas curvas do amortecimento

mecnico (tan) como uma funo da temperatura. [101-103]

Os corpos de prova foram prensados a vcuo para reduo de espessura e

eliminao de bolhas de ar. Aps a prensagem, foram cortadas tiras com dimenses

aproximadas de 1 x 6 x 30 (espessura x largura x comprimento) em unidades de milmetro.

A anlise foi feita no modo de trao, utilizando a freqncia de 1 Hz e a faixa de

temperatura de teste de -120C a temperatura ambiente com taxa de aquecimento de

2C/min. Utilizou-se o N2 lquido para o resfriamento do sistema. Os resultados so

mostrados em grficos representados em mdulo de armazenamento (E), mdulo de perda

(E) e amortecimento (tangente delta) cujo valor igual a E/E. Por ser material

elastomrico, os copolmeros apresentam uma contrao significativa a baixa temperatura,

por isso, as amostras foram reapertadas a 60C para evitar a descontinuidade nas medidas,

quando a amostra escorrega das garras.

63

Por dificuldades na preparao de corpo de prova, no foi possvel a realizao dos

testes dos copolmeros 4 e 5, foram feitas anlises somente dos copolmeros 1, 2 e 3. Nas

Figuras 5.8 a 5.10, pode-se observar que esses trs copolmeros apresentaram

comportamentos dinmico-mecnicos similares: iniciam-se com um valor de E alto e

sofrem uma reduo suave at determinada temperatura e, por fim, observado um trecho

de decaimento brusco, o qual atribudo relaxao devido a Tg do material. Alm disso,

percebe-se facilmente que os copolmeros apresentam miscibilidade entre as fases politer e

polister. Isto cada copolmero apresentou somente uma nica etapa de relaxao

acentuada correspondente fase amorfa. Isso nos d idia de que houve a modificao de

ligaes qumicas entre as cadeias e a cadeia principal o copolmero de polisteres e

politer. Porm, cada um desses copolmeros apresentou sua prpria relaxao deslocada

em relao ao outro, em termos de temperatura (Figura 5.7). A temperatura do pico da

relaxao da tg de cada copolmero foi registrado, assim como a faixa de temperatura em

que ocorre a relaxao devido transio vtrea, observada por DMTA (Tabela 5.5).

-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

1E7

1E8

1E9

E

(P

a)

Temperatura (C)

copolmero 1 copolmero 2 copolmero 3

Figura 5.7 Grfico de anlise de DMTA do copolmero 1, 2 e 3 em conjunto.

64

Tabela 5.5 Temperaturas de transio obtidas pela interpretao dos grficos de DMTA.

Copolmero 1 Copolmero 2 Copolmero 3

Tg (C) (-35,5) (4,5) (-31,4) (8,4) (-21,4 ) (32,8)

Pico de tangente (C) (-15,8) (-10,3) (12,6)

Tabela 5.6 Comparao de valores de E dos trs copolmeros em diferentes temperaturas.

Mdulo de Armazenamento (E) (Pa)

Temperatura (C) Copolmero 1 Copolmero 2 Copolmero 3

-60 3,11 x 109 3,57 x 109 3,44 x 109

-40 2,76 x 109 3,31 x 109 3,21 x 109

-20 6,59 x 108 1,23 x 109 2,85 x 109

0 3,46 x 107 7,32 x 107 1,05 x 109

20 1,69 x 107 3,26 x 107 8,78 x 107

O pico de tangente indica a maior taxa de transio de 2 ordem. Nota -se que h

um aumento da Tg, em outras palavras, um aumento do ponto de deflexo do

amortecimento, quando vai do copolmero 1 para o copolmero 3. Porm, de 1 a 2, a

mudana pouco mais de 4C, muito pequena comparada com a variao do copolmero

1 a 3 ou do copolmero 2 a 3, cujas diferenas apresentaram-se maiores que 10C. Os dados

obtidos mostraram que a composio dos reagentes tem maior influncia do que o tempo de

reao, sobre o produto formado e que, com o acrscimo da quantidade do lactdeo,

melhora-se a propriedade mecnica do copolmero final.

65

Todos os trs copolmeros apresentaram seus valores de mdulo de armazenamento

superiores queles observados para a borracha natural a temperatura ambiente

(aproximadamente 1,2MPa), apontando assim a vantagem dos copolmeros por serem

materiais elastomricos com boa propriedade mecnica, juntamente com sua caracterstica

de biodegradabilidade. [104]

-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

1E7

1E8

1E9

E e

E (P

a)

Temperatura (C) E' (Pa) E" (Pa)

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

tan_delta ta

nge

nte

_de

lta

Figura 5.8 Grfico de anlise DMTA do copolmero 1.

66

-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

1E7

1E8

1E9

E e

E (P

a)

Temperatura (C) E' (Pa) E" (Pa)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

ta

nge

nte

_de

lta

tan_delta


-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

1E7

1E8

1E9

E e

E (Pa

)

Temperatura (C)

E' (Pa) E" (Pa)

-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 600,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Ta

nge

nte

_de

lta

tan_delta


67

5.3. Calorimetria Exploratria Diferencial (DSC)

DSC um tipo de anlise no qual se acompanha a variao da energia entre

a amostra e a referncia, mantendo-se a temperatura de ambas igual. Existem dois modelos

de DSC: DSC de fluxo de calor e DSC de compensao de potncia. Na primeira tcnica, a

amostra e a referncia so colocadas em suas respectivas cpsulas, posicionadas sobre um

disco de metal, a troca de calor entre o forno e a amostra ocorre preferencialmente pelo

disco por uma nica fonte de calor. A diferena de temperatura detectada entre a amostra e

a referncia por meio de termopares proporcional variao de entalpia, capacidade

calorfica e resistncia trmica total ao fluxo calrico. A DSC de fluxo de calor o mais

comum e utilizado neste trabalho para determinao de temperatura de transio vtrea

(Tg) e temperatura de fuso (Tm) dos materiais polimricos [101-104]

Uma pequena quantidade dos copolmeros (10mg) pesada dentro de cadinho de

alumnio, o qual posteriormente selado antes de submeter a amostra anlise por DSC.

Foi utilizado Al2O3 selado em cadinho de alumnio como referncia. Para evitar a umidade

e interferir no resultado da anlise, as amostras dentro dos cadinhos foram levados para

estufa a vcuo para a secagem a temperatura ambiente por 2 horas, antes da realizao da

anlise.

Utilizou-se o nitrognio lquido para o resfriamento do sistema e a taxa de

aquecimento foi 10C/min. Durante o processo, o gs N2 com taxa de 30mL/min. foi

introduzido e circulado dentro do forno para manter o ambiente inerte. O equipamento foi

calibrado com ndio (Tm = 156,6 C e Hf = 3,26 kJ.mol-1) nas mesmas condies das

anlises.

68

A Tabela 5.7 mostra resumidamente as informaes obtidas pela anlise das curvas

de DSC.

Tabela 5.7 Caracterizao dos homopolmeros de partida e dos polmeros preparados.

Amostra Tg (C) Tm (C) Hm (J/g)

PEG 20K -106,16 62,46 130,75

PEG 4K _____ 52,01 91,34

PEG 4K modificado -86,53 54,79 87,71

Copolmero 1 -34,99 47,20 19,12

Copolmero 2 -36,12 45,25 23,32

Copolmero 3 -17,06 43,73 26,73

Copolmero 4 -39,43 37,24 157,37 28,33 8,81

Copolmero 5 -31,58 33,30 158,51 12,92 0,47

Atravs dos grficos de anlise de DSC (Figura 5.11 a Figura 5.15), verifica-se que

as amostras apresentam uma nica fase amorfa, uma vez que apenas uma nica Tg para

cada curva foi observada. Este resultado sugere que a copolimerizao foi bem sucedida,

pois os segmentos apresentam estruturas qumicas bastante distintas, mas a introduo de

ligaes covalentes entre eles inibe uma separao de fases. Foram observados dados

variados de Tg e Tm, conforme as diferenas massas molares dos segmentos PCL, PLA e

PEG. Para o homopolmero PLA, a Tg observada na literatura varia ao redor de 65C

enquanto a Tm, ao redor de 170C; para o homopolmero PCL, a Tg observada na literatura

fica por volta de 60C e a Tm normalmente est ao redor de 60C.[5][29][52][70]

69

Os copolmeros 1, 2 e 3 foram obtidos a partir do PEG20K, cujos valores de Tg e Tm

foram determinados e eram 106C e 62C, respectivamente.

Os resultados obtidos foram analisados com base na regra de mistura, anteriormente

sugerida por Fox-Flory:

Cg

C

Bg

B

Ag

A

copolmerogTW

TW

TW

T++=

1 Equao 5.

Onde Tg copolmero Temperatura de transio vtrea do copolmero;

WA, WB, WC so fraes mssicas do LA, CL e EO;

TgA, TgB, TgC so temperaturas de transio vtrea em Kelvin dos respectivos

homopolmeros PLA, PCL e PEG.

Para o copolmero 1: C7753K23219

1672620

2134660

3382720

1Tcopolmerog

==

++= ,,

,,,

Para o copolmero 2: C5751K43221

1672700

2134260

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