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PUCRS

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

PPRROOGGRRAAMMAA DDEE PPÓÓSS--GGRRAADDUUAAÇÇÃÃOO EEMM EENNGGEENNHHAARRIIAA EE TTEECCNNOOLLOOGGIIAA DDEE MMAATTEERRIIAAIISS

Faculdade de Engenharia

Faculdade de Física

Faculdade de Química

PGETEMA

Relatório de atividades

Trabalho vinculado a Rede Brasileira de Colóides Poliméricos

Orientador (a): Prof. Dr. Rosane Ligabue

Co-orientador (a): Prof. Dr. Sandra Mara de Oliveira Einloft

Bolsista: Fernanda da Costa Velho.

Porto Alegre, novembro 2009.

1. INTRODUÇÃO O potencial de uso de nanopartículas poliméricas para o sistema de liberação de fármacos tem sido extensivamente investigado nos últimos anos, para que elas possam fornecer um meio de modificar a distribuição de uma substância ativa in vivo aumentando a sua concentração no sítio-alvo, melhorando assim a eficácia e reduzindo a toxicidade. Para essas aplicações, as nanopartículas não só devem ser compostas por um polímero biodegradável e biocompatível, mas também ter diâmetro e distribuição granulométrica controladas (LEGRAND et al., 2007). As nanopartículas são definidas como partículas de tamanho inferior a um mícron e podem consistir de diferentes materiais biodegradáveis como polímeros naturais ou sintéticos, lipídios ou fosfolipídios, até mesmo metais (KAYSER, LEMKE, TREJO, 2005). As vantagens da utilização das nanopartículas de polímero para liberação de fármacos são muitas, podemos citar como as mais importantes o aumento da estabilidade de fármacos voláteis e seu baixo custo podendo ser fabricado em grandes quantidades por diversos métodos (KAYSER et al., 2005). A escolha do polímero e a capacidade de controlar a liberação do fármaco têm feito das nanopartículas poliméricas as candidatas ideais para a terapia do câncer, a liberação de vacinas, contraceptivos e liberação de antibióticos (LEGRAND et al., 2007; KAYSER, LEMKE, TREJO, 2005). Do ponto de vista da química de polímeros, o desafio é criar novos polímeros combinando propriedades hidrofílicas e lipofílicas de medicamentos para liberação controlada de fármacos (KAYSER, LEMKE, TREJO, 2005). Neste contexto, o presente trabalho propõe a síntese de nanopartículas de poliuretano que possui uma boa biodegradabilidade quando reagido com a policaprolactona ou poli(ácido láctico) ou poli(ácido glicólico) a fim de encapsular, reter e/ou adsorver óleos como o miglyol 812. A síntese das nanopartículas será realizada através de reações de polimerização em dispersão aquosa ou polimerização em emulsão. 2.OBJETIVOS Este trabalho tem como objetivo a síntese de nanopartículas de poliuretano (PU), usando como polióis, o poli (ácido láctico) (PLA), o poli (ácido glicólico) (PGA) e a poli(caprolactona) (PCL). 2.1 Objetivos Específicos

Este trabalho tem como objetivos específicos:

A preparação de nanopartículas poliméricas por dispersão aquosa de poliuretanos e por polimerização em emulsão; A caracterização física e morfológica das nanopartículas obtidas; O encapsulamento do óleo miglyol 812 nessas nanopartículas; A avaliação da liberação do miglyol 812 num meio tamponado.

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 Biomateriais

O termo biomaterial foi definido segundo Helmus, 1995 como : “parte de um sistema que trata, aumenta ou substitui qualquer tecido, órgão ou função do corpo”.

Esta definição deriva do Concensus Conference of the European Society for Biomaterials, que descreve biomaterial como todo material não vivo usado em dispositivo médico, objetivando interação com o sistema biológico (WILLIANS, 1987).

Os biomateriais podem ser polímeros sintéticos, metais, cerâmicas e macromoléculas naturais, como os biopolímeros que são manufaturados ou processados para se adequarem à utilização em dispositivos médicos que entrem em contato íntimo com proteínas, células, tecidos, órgãos e sistemas orgânicos (SILVA, 2000?).

3.1.1. Poliuretanos como biomaterial

Poliuretanos são baseados em um segmento aromático ou alifático rígido e um segmento de poliéter flexível, conforme mostra a figura 1. Quando as aplicações requerem biodegradabilidade, o poliuretano precisa de um segmento que é principalmente um poliéster, o que torna o material sensível para cisões hidrolíticas (DODGE, 2003, JAHNO, 2009).

Figura 1: Estrutura da cadeia poliuretânica (DODGE, 2003).

Os poliuretanos biodegradáveis são formados a partir de diisocianatos alifáticos

e aromáticos com diferentes polióis como os polihidroxiácidos, polilactídeos, poliglicosídeos, poliésteres, policaprolactonas e extensores de cadeia como dióis, diaminas e disulfetos (BARIKANI, MOHAMMADI 2007). A figura 2 exemplifica genericamente a formação de um poliuretano biodegradável:

O C N R N C O HO R, OHDIISOCIANATO POLIOL

NCO/OH>1

O R, O OC HN R N C OR NH CONCO

PRÉ-POLÍMERO MACRODIISOCIANATO

HO R,, OH

EXTENSOR DE CADEIA

O R,, O OC HN R HN CO O R, O OC HN R NH CO O R,, O

POLIURETANO

n

Figura 2: Poliuretano Biodegradável ( Adaptação BARIKANI, MOHAMMADI, 2007)

Estudos de Lendlein e Langer (2002) mostraram que um poliuretano formado com PCL e 2,2(4),4-trimetil hexano diisocianato é biodegradável e não tóxico, tornando-se uma nova classe de materiais poliméricos para aplicações biomédicas. A PCL é adequada para liberação controlada de medicamentos, óleos, entre outros, devido a sua alta permeabilidade a muitos fármacos e a sua não toxicidade, (SINHA et al., 2004) sua hidrofobicidade é relativamente alta quando comparada com poli (ácido láctico-co-ácido glicólico) (PLGA) (RAMESH et al., 2002; BALMAYOR et al., 2009). A figura 3 apresenta a estrutura da caprolactona.

5O (CH2) C

O

n Figura 3: Estrutura do poli (є- caprolacana) (PARK, YE, PARK, 2005).

Devido à sua cristalinidade e hidrofobicidade, a degradação do polímero PCL é muito lenta tornando-o adequado para ser utilizado, em longo prazo, na liberação que se estende por um período de mais de um ano (PARK, YE, PARK, 2005). A biodegradação da PCL pode ser reforçada por polímeros como o PLA e PGA (SINHA et al., 2004). Os polímeros PLA, PGA e seus copolímeros são adequados para a concepção dos sistemas de liberação controlada de fármacos, como anticancerígenos, agentes anti-malária, contraceptivos e anestésicos (MENEMSE, GUNDAY, 1999). Segue na figura 4 as estruturas moleculares do poli(ácido lático) e do poli(ácido glicólico) respectivamente:

OHO

H

O

CH3 n

OHO

H

O

n

(a) (b)

Figura 4: (a)poli(ácido lático), PLA e (b) poli(ácido glicólico), PGA (GAUTIER et al., 2008).

3.2 Nanopartículas

As nanopartículas são definidas como dispersões de partículas ou partículas

sólidas com um tamanho na faixa de 10-1000nm (MOHANRAJ, CHEN, 2006; JÄGER, 2008; SCHAFFAZICK et al., 2003; REIS et al., 2006; GAUDIN, ZYDOWICZ, 2008). O termo nanopartículas é um nome geral usado para designar nanoesferas e nanocápsulas, as quais diferem entre si segundo a composição e organização estrutural (REIS et al., 2006; SCHAFFAZICK et al., 2003). Nanocápsulas são sistemas vesiculares carregadores de fármacos formados por uma membrana polimérica disposta ao redor de um núcleo oleoso, podendo o fármaco estar disperso ou dissolvido no núcleo lipofílico e/ou adsorvido a parede polimérica (REIS et al., 2006; JÄGER, 2008).

Nanoesferas não apresentam o núcleo oleoso em sua composição, são formadas por uma matriz polimérica, onde o fármaco pode ficar retido e/ou adsorvido, como mostra a figura 5 (REIS et al., 2006; JÄGER, 2008; SCHAFFAZICK et al., 2003 ).

Figura 5: Representação esquemática de nanocápsulas e nanoesferas poliméricas: a) fármaco dissolvido no núcleo oleoso das nanocápsulas; b)fármaco adsorvido à parede polimérica das nanocápsulas; c) fármaco retido na matriz polimérica das nanoesferas; d) fármaco adsorvido ou disperso molecularmente na matriz polimérica das nanoesferas (SCHAFFAZICK et al., 2003).

Muitos métodos têm sido desenvolvidos para preparação de nanopartículas, estes métodos podem ser classificados em duas principais categorias levando em consideração se a formação das nanopartículas requer uma reação de polimerização (polimerização in situ), ou se estas são formadas diretamente com um polímero pré-formado (SCHAFFAZICK et al., 2003; REIS et al., 2006; JÄGER, 2008). Métodos de salting out, nanoprecipitação e emulsificação por difusão podem ser citados como exemplos típicos formação direta com polímeros pré-formados (RODRIGUEZ et al.,2004). Os métodos de polimerização podem ser classificados em polimerização em emulsão e polimerização interfacial (REIS et al., 2006).

4. RESULTADOS A partir do desenvolvimento desse trabalho espera-se obter nanopartículas com óleo encapsulado e avaliar a viabilidade de liberação desse óleo dentro de um meio tamponado e sua quantificação. Dentro dessa proposta de trabalho têm-se alguns resultados preliminares que são mostrados a seguir: A reação foi realizada por meio de duas etapas, na primeira etapa o polímero PU foi obtido pela reação de PCL, DMPA (dissolvido n-metilpirolidona) e de IPDI numa razão molar de NCO/OH= 1,5, utilizando DBTDL (0,1% p/p) como catalisador. Posteriormente, os grupos de carboxilatos do DMPA foram neutralizados com TEA. A reação foi acompanhada através da técnica de titulometria com n-dibutilamina para medir o teor residual de NCO livre. Após o residual de NCO ficar constante fez-se a extensão da cadeia com a adição de EDA com 50mL de MEK e por fim, foi adicionado 20% de miglyol 812 (sobre o total de não voláteis). Na segunda etapa da reação, foi preparada uma solução contendo 80% (em relação ao polímero) de água destilada contendo 0,1% de antiespumante comercial, 10% de Lauril Éter Sulfato de Sódio utilizado como surfactante, posteriormente essa solução foi adicionada a solução polimérica sob uma agitação de 1000 rpm durante 30min formando a dispersão. Após a dispersão os solventes orgânicos foram retirados sob pressão reduzida. Caracterização Caracterização por infravermelho Para a identificação das estruturas da dispersão polimérica contendo o miglyol 812 foi utilizada a técnica de infravermelho. A figura 6 mostra a comparação do espectro de infravermelho do miglyol 812, da dispersão polimérica com o óleo (DMPU) e do filme de DMPU.

Figura 6: IV do miglyol 812, da DMPU e do filme da DMPU.

As bandas encontradas no espectro do óleo miglyol 812, da DMPU e do filme de DMPU, são apresentadas na figura 6, e suas respectivas atribuições estão

apresentadas na tabela 1 segundo a literatura (SILVERSTEIN, BASSLER, MORRIL, 1994). Tabela 1: Atribuições das bandas referentes ao espectro da figura 6.

número de onda (cm-1) Atribuição Miglyol 812 2921-2850 deformação axial C-H de (CH2)

1739 deformação axial C=O de éster

1458 deformação angular do CH3

1153 deformação axial de C-O-C

1107 deformação axial C-O-C

3356 deformação axial O-H 2941-2860 deformação axial C-H (CH2, CH3)

1732 deformação axial C=O (uretano+éster+triglicerídeo)

1635 deformação axial C=O (uréia) + COO- (DMPA)

1458 deformação angular do CH3

DMPU 1160 deformação axial de C-O-C

3356 deformação axial NH (do uretano) FILME DMPU 2936-2860

deformação axial C-H (CH2, CH3)

1721 deformação axial C=O (uretano+éster+triglicerídeo)

1550 deformação axial N-H (uretano)

1458 deformação angular do CH3

Caracterização por tamanho de partícula O tamanho médio de partícula obtido foi de 95±16 nm, caracterizando a

formação de nanopartículas, com uma distribuição onde a dispersão foi de 0,43 (span). A figura 7 apresenta o gráfico de distribuição de tamanho de partícula.

Figura 7: Gráfico de distribuição de tamanho de partícula da DMPU.

Caracterização por GPC A partir do filme do DMPU obtido determinou-se as massas moleculares (Mn=

18583 e Mw= 27873g/mol) e o Índice de Polidispersidade (IP) de 1,50 utilizando-se a técnica de Cromatografia de Permeação em Gel (GPC). Caracterização por MEV

O filme obtido da DMPU sintetizado foi também caracterizado pela técnica de

Microscopia Eletrônica de Varredura. A figura 8 apresenta a micrografia do filme de DMPU (parte interna).

Figura 8: MEV da DMPU.

Podemos observar que a amostra possui superfície irregular, densa e com aglomerados na forma de grãos regulares. Teor de sólidos e Viscosidade Brookfield

O teor de sólidos da dispersão de PU obtida com miglyol 812 foi de 22%. A

dispersão apresentou baixa viscosidade (4 mPa.s). Nas próximas sínteses pretende-se aumentar o teor de sólidos da dispersão propiciando um aumento na viscosidade da mesma e, principalmente, aumentando o número de partículas poliméricas formadas e que poderão conter maior quantidade de óleo.

5. PRÓXIMAS ETAPAS DO TRABALHO

Como próximas etapas de trabalho, estamos estudando a síntese modificando

alguns parâmetros reacionais (ex. razão NCO/OH, etapa de extensão, composição do polímero e do óleo). Amostras destas dispersões serão analisadas por TEM na UFSC (fev/mar de 2010).

Também foi iniciado um estudo preliminar com IV para quantificar o óleo contido na nanopartícula e/ou o óleo livre na dispersão.

6. CRONOGRAMA

As atividades desenvolvidas no período de março de 2009 a março de 2011 serão apresentadas a seguir:

1. Revisão da literatura; 2. Aquisição e preparação dos reagentes utilizados; 3. Síntese da nanopartículas de PU via dispersão aquosa e via polimerização em emulsão; 4. Caracterização das nanopartículas de PU; 5. Avaliação da capacidade de liberação dessas nanopartículas com óleo através do monitoramento do pH de um meio tamponado e identificar a quantidade de óleo liberado por infravermelho; 6. Redação da dissertação; 7. Defesa da dissertação; 8. Divulgação dos resultados em congressos e jornais indexados; 9. Estágio na UFSC;

O cronograma das atividades pode ser visto a seguir.

2009 2010 2011

ATIVIDADES MAR/ABR

MAI/JUL

AGO/OUT

NOV/DEZ

JAN/MAR

ABR/JUN

JUL/SET

OUT/DEZ

JAN/MAR

1 X X X X X X x x X

2 X X X X X X

3 X X X X X X

4 X X X X X X X

5 X X X X

6 X X X

7 X

8 X

9 X

7. REFERÊNCIAS

BALMAYOR, R.E.; TUZLAKOGLU, K.; AZEVEDO, S.H.;REIS, L.R. Preparation and characterization of starch-poly-є-caprolactone microparticles incorporating bioactive agents for drug delivery and tissue engineering applications. Acta Biomaterials, v.5, p. 1035-1045, 2009.

BARIKANI, M.; MOHAMMADI, M. Syntesis and Characterization of starch- modified polyurethane. Carbohydrate Polymers, v.68, p. 773-780, 2007. BOUCHEMAL, K., BRIAÇON, S.; PERRIER, E.; FESSI, H. Nano-emulsion formulation using spontaneous emulsification: solvent, oil and surfactant optimization. International Journal of pharmaceutics, v. 280, p. 241-251, 2004.

DODGE, J. Polyurethanes and polyureas. In: Syntetic Methods in Step-Growth Polymers. Rogers, M. E.; Long, T. E. (Ed). United States of America. John Wiley & Sons, 197, 2003.

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GAUTIER, E.; FUERTES, P.; CASSAGNAU, P.; PASCAULT, J.; FLEURY, E. Synthesis and rheology of biodegradable poly(glycolic acid) prepared by melt ring-opening polymerization of glycolide. Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, v.47, p. 1440-1449, 2009. HELMUS MN & TWEDEN K. Materials Selection – In: Encyclopedic Handbook of Biomaterials and Bioengineering, part A, v.1 p. 27-59, 1995. HUANG X.; REN, T.; TANG, X. Porous polyurethane/acrylate polymer electrolytes prepared by emulsion polymerization. Materials Letters, v. 57, p. 4182-4186, 2003. JÄGER, E. Controle da liberaçãp do éster etílico de endometacina a partir de nanocáspulas poliméricas através da variação da concentração de monoestereato de sorbitano. Porto Alegre. 2008. 130pg. Dissertação de Mestrado em Ciências Faramacêuticas.Faculdade de Farmácia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil.

JAHNO, D. V. Avaliação da citotoxicidade in vitro e da biocompatibilidade in vivo de biomateriais poliméricos. Poro Alegre. 2009. 130p. Tese de doutorado em Medicina e Ciências da Saúde. Faculdade de Medicina, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Brasil. JIN, Y.Z., HAHN, Y. B.; NAHM, K. S.; LEE, Y.S. Preparation of stable polyurethane-polyestyrene copolymer emulsions via RAFT polymerization process. Polymer, v.46, p. 11294-11300, 2005.

KAYSER, O.; LEMKE, A.; TREJO, N. The impact of nanobiotechnology on the development of new drug delivery systems. Current Pharmaceutic Biolotechnology, v.6, p.3-5, 2005.

LEGRAND, P.; LESIEUR, S.; BOCHOT, A.; GREF, R.;RAATJES,W.; BARRATT, G.; VAUTHIER, C. Influence of polymer behavior in organic solution on the production of polylactide nanoparticles by nanoprecipitation. International Journal of Pharmaceutics, v. 344, p. 33-43, 2007. LENDLEIN, A.; LANGER, R. Biodegradable, elastic shape memory polymers for potential biomedical applications, Science, v.296, 1673-1675, 2002.

MENEMSE, K.; GUNDAY, D. Synthesis, characterization and in vitro degradation of poly(DL-Lactide)/poly(DL-Lactide-co-Glycolide) films. Turk J Chem, v.23. p. 153-161,1999.

MOHANRAJ, J.V.;CHEN, Y. Nanoparticles Review. Tropical Journal of Pharmaceutical Research, v.5, p. 561-573, 2006.

OLIVEIRA, V. M. S. Síntese e Caracterização de Dispersões Aquosas de Poliuretano. Poro Alegre. 2008. 110p. Dissertação de Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais. Faculdade de Química, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Brasil.

PARK, H.J.; YE, M.; PARK, K. Biodegradable Polymers for Microencapsulation of Drugs. Molecules, v.10, p. 146-161, 2005.

RAMESH, D. V.; MEDLICOTT, N.; RAZZAK, M.; TUCKER, G.I. Microencapsulation of FITC-BSA into poly(є-caprolactone) by a water-in- oil-in-oil solvent evaporation technique. Trends Biomater Artif. Organs, v.15, p.31-36, 2002. REIS, P.C.; NEUFELD, J.R.; RIBEIRO, J.A.; VEIGA, F. Nanoencapsulation I: Methods for preparation of drug-loaded polymeric nanoparticles. Nanomedicine Journal, v. 2, p. 8-21, 2006. RODRIGUEZ, G.S.; ALLÉMANN, E.; FESSI, H.; DOELKER, E. Physicochemical parameters associated with nanoparticle formation in the salting-out, emulsification-diffusion, and nanoprecitation methods. Pharmaceutical Research, v. 21, p. 1428-1439, 2004.

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SINHA, R. V.; BANSAL, K.; KAUSHIK, K. R.; TREHAN, A. Poly-є-caprolactone microspheres and nanospheres: an overview. International Journal of Pharmaceutics, v.278, p.1-23, 2004. WILLIAMS, D.F. Definitions in biomaterials. Progress in Biomedical Engineering, 1987. v.4.