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Nívia do Nascimento Marques
PARTÍCULAS INTELIGENTES DE POLI (N-ISOPROPILACRILAMIDA), QUITOSANA
E POLI (ÁCIDO ACRÍLICO): efeito da temperatura e do pH sobre suas propriedades em
suspensões aquosas
2012
Nívia do Nascimento Marques
PARTÍCULAS INTELIGENTES DE POLI (N-ISOPROPILACRILAMIDA), QUITOSANA
E POLI (ÁCIDO ACRÍLICO): efeito da temperatura e do pH sobre suas propriedades em
suspensões aquosas
Dissertação apresentada como requisito para obtenção do
título de Mestre, pelo Programa de Pós-Graduação em
Química da Universidade Federal do Rio Grande do
Norte
Orientadora: Profa. Dra. Rosangela de Carvalho Balaban
(UFRN)
Co-orientadora: Dra. Ana Maria da Silva Maia (UFRN)
Natal, RN
2012
UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede
Catalogação da Publicação na Fonte
Marques, Nívia do Nascimento. PARTÍCULAS INTELIGENTES DE POLI (N-
ISOPROPILACRILAMIDA), QUITOSANA E POLI (ÁCIDO
ACRÍLICO): efeito da temperatura e do pH sobre suas em suspensões
aquosas / Nívia do Nascimento Marques. – Natal, RN, 2012.
95 f. : il.
Orientadora: Rosangela de Carvalho Balaban.
Co-orientadora: Ana Maria da Silva Maia.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra. Instituto de Química.
Programa de Pós-Graduação em Química.
1. Termossensibilidade – Dissertação. 2. pH-sensibilidade –
Dissertação. 3. Polissacarídeo – Dissertação. 4. Copolimerização –
Dissertação. 5. Estabilidade – Dissertação. 6. Reologia – Dissertação. I.
Balaban, Rosangela de Carvalho. II. Maia, Ana Maria da Silva. III.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV. Título.
RN/UF/BCZM CDU 66
RESUMO
Esse estudo descreve a estabilidade e o comportamento reológico de suspensões
aquosas de partículas reticuladas sensitivas de poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM), poli
(N-isopropilacrilamida)-quitosana (PNIPAM-QS) e poli (N-isopropilacrilamida)-quitosana-
poli (ácido acrílico) (PNIPAM-CS-PAA). A obtenção dos materiais foi realizada por
polimerização por precipitação, via radicais livres, utilizando persulfato de potássio como
iniciador e N,N’-metilenobisacrilamida (MBA) como agente reticulante. A incorporação dos
precursores nas partículas reticuladas foi confirmada por análise elementar e espectroscopia
na região do infravermelho. A influência de estímulos externos, como pH, temperatura, ou
ambos, no comportamento das partículas, foi investigado por medidas reológicas, estabilidade
visual e centrifugação analítica. As partículas de PNIPAM-QS apresentaram maior
estabilidade em meios ácido e neutro, enquanto que as partículas de PNIPAM-QS-PAA foram
mais estáveis em meios neutro e alcalino, tanto abaixo quanto acima da LCST da PNIPAM
(dados de estabilidade). Isso ocorreu devido às diferentes interações interpartículas e entre as
partículas e o meio (também evidenciadas pelos dados reológicos), que foi influenciada pelo
pH e temperatura do meio. Baseando-se nos resultados obtidos, observou-se que a introdução
de polímeros sensíveis ao pH nas partículas reticuladas de poli (N-isopropilacrilamida),
resultou não apenas na síntese de copolímeros reticulados com dupla sensibilidade, mas em
partículas passíveis de ajuste de estabilidade, ou seja, que podem sofrer separação de fases
mais ou menos rápida, dependendo da aplicação desejada. Dessa forma, é possível adaptar as
partículas sintetizadas aos mais diversos meios.
Palavras-chave: termossensibilidade; pH-sensibilidade; polissacarídeo; copolimerização;
estabilidade; reologia.
ABSTRACT
The present study describes the stability and rheological behavior of suspensions of
poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), poly (N-isopropylacrylamide)-chitosan (PNIPAM-
CS), and poly (N-isopropylacrylamide)-chitosan-poly (acrylic acid) (PNIPAM-CS-PAA)
crosslinked particles sensitive to pH and temperature. These dual-sensitive materials were
simply obtained by one-pot method, via free-radical precipitation copolymerization with
potassium persulfate, using N,N’-methylenebisacrylamide (MBA) as a crosslinking agent.
Incorporation of the precursor materials into the chemical networks was confirmed by
elementary analysis and infrared spectroscopy. The influence of external stimuli such as pH
and temperature, or both, on particle behavior was investigated through rheological
measurements, visual stability tests and analytical centrifugation. The PNIPAM-CS particles
showed higher stability in acid and neutral media, whereas PNIPAM-CS-PAA particles were
more stable in neutral and alkaline media, both below and above the LCST of poly (N-
isopropylacrylamide) (stability data). This is due to different interparticle interactions, as well
as those between the particles and the medium (also evidenced by rheological data), which
were also influenced by the pH and temperature of the medium. Based on the results obtained,
we found that the introduction of pH-sensitive polymers to crosslinked poly (N-
isopropylacrylamide) particles not only produced dual-sensitive materials, but allowed
particle stability to be adjusted, making phase separation faster or slower, depending on the
desired application. Thus, it is possible to adapt the material to different media.
Keywords: thermosensibility; pH-sensibility; polysaccharide; copolymerization; stability;
rheology.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO _________________________________________________________ 7
2 OBJETIVOS ____________________________________________________________ 9
2.1 OBJETIVO GERAL ______________________________________________________ 9
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS _______________________________________________ 9
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA _____________________________________________ 10
3.1 POLÍMEROS INTELIGENTES ___________________________________________ 10
3.1.1 Polímeros Sensíveis à Temperatura ______________________________________ 13
3.1.1.1 Poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) __________________________________ 17
3.1.1.2 Aplicações _________________________________________________________ 19
3.1.2 Polímeros sensíveis ao pH ______________________________________________ 23
3.1.2.1 Poliácidos __________________________________________________________ 25
3.1.2.2 Polibases ___________________________________________________________ 26
3.1.2.2.1 Quitosana ________________________________________________________ 26
3.1.2.3 Polímeros anfóteros ou esquizofrênicos ___________________________________ 28
3.1.2.4 Aplicações _________________________________________________________ 29
3.2 COMBINAÇÃO DAS PROPRIEDADES pH E TERMORRESPONSIVAS _________ 32
3.3.1 Reologia ____________________________________________________________ 43
3.3.2 Estabilidade _________________________________________________________ 47
3.3.2.1 Centrifugação Analítica _______________________________________________ 47
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ______________________________________ 54
5 APÊNDICE ____________________________________________________________ 73
7
1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento de partículas responsivas a estímulos tem ganhado considerável
notoriedade nos últimos anos (Gil e Hudson, 2004; Motornov, Roiter et al., 2010; Roy,
Cambre et al., 2010; Zhao, Nie et al., 2011), devido à capacidade em alterar as suas
estruturas/propriedades em resposta a pequenas mudanças no meio, como variações no pH
(Gil e Hudson, 2004; Yang, Chen et al., 2009; Motornov, Roiter et al., 2010; Roy, Cambre et
al., 2010; Mihai, Stoica et al., 2011; Zhao, Nie et al., 2011), temperatura (Curti, Moura et al.,
2005; Liu, Fraylich et al., 2009; Bao, Li, Leong et al., 2010; Yang, Liang et al., 2011), força
iônica (Zhou, Wang et al., 2006; Li, Lai et al., 2009; Costa, Custõdio et al., 2011; Liu, 2011),
e campos magnéticos e/ou elétricos (Riskin, Basnar et al., 2007; Fernández-Barbero, Suárez
et al., 2009; Huang e Juang, 2011).
Partículas sensíveis à temperatura e ao pH, em particular, têm sido extensivamente
investigadas em virtude da sua importância em sistemas químicos e fisiológicos típicos
(Taşdelen, Kayaman-Apohan et al., 2004; Aguilar, Elvira et al., 2007; Dimitrov, Trzebicka et
al., 2007). As partículas inteligentes mais exploradas são baseadas na termossensibilidade da
poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) em água (Thorne, Vine et al., 2011). A PNIPAM
apresenta uma temperatura consoluta inferior (lower critical solution temperature - LCST) em
água por volta de 32 °C, em virtude do balanço hidrofílico/hidrofóbico existente em sua
estrutura. Isso significa que abaixo da LCST partículas reticuladas intumescem, devido às
interações de hidrogênio entre os segmentos hidrofílicos do polímero e a água, enquanto que
contraem quando acima da LCST, devido à predominância de interações hidrofóbicas entre os
grupos isopropil (Han, Wang et al., 2009; Hamcerencu, Desbrieres et al., 2011; Martins,
Mano et al., 2011). Muitos trabalhos exploram a hidrofobicidade da PNIPAM acima de sua
LCST para incorporar materiais hidrofóbicos, como vários fármacos (Wei, Cheng et al.,
2009). Quando quimicamente reticuladas, essas partículas não são totalmente solúveis, mas
podem se manter dispersas no meio (Murray e Snowden, 1995).
Quitosana (QS) e poli (ácido acrílico) (PAA) são polímeros pH-sensitivos comumente
empregados para modificar partículas de PNIPAM (Mi Kyong, Yong Kiel et al., 1997;
Schilli, Zhang et al., 2004; Al-Manasir, Zhu et al., 2009; Recillas, Silva et al., 2009; Wang,
Chen et al., 2009; Bao, Li, Leong et al., 2010; Recillas, Silva et al., 2011; Sanoj Rejinold,
Sreerekha et al., 2011) e produzir materiais com dupla sensibilidade. PAA torna-se
negativamente carregado acima de seu pKa (~4), devido à dissociação dos grupos COOH. QS
8
possui grupos –NH2 e, dessa forma, torna-se positivamente carregada em meio ácido (pKa
~6,3) (Glampedaki, Petzold et al., 2012). Além disso, a quitosana é um polímero de fonte
natural, derivado da quitina, o segundo polissacarídeo mais abundante da natureza. Essa
característica é importante para diversas áreas, principalmente a biomédica (Carreira,
Goncalves et al., 2010). Suspensões compostas por essas partículas de dupla sensibilidade
têm sido investigadas para aplicações em diversas áreas, tais como remoção de contaminantes
de águas, funcionalização de superfícies, processos de liberação controlada de fármacos
(Saitoh, Sugiura et al., 2009; Parasuraman e Serpe, 2011b; a; Saitoh, T., Asano, K. et al.,
2011; Parasuraman, Leung et al., 2012; Saitoh, Asano et al., 2012), entre outras.
Propriedades como morfologia, cinética de intumescimento, capacidade de
incorporação e liberação de substâncias, têm sido extensivamente abordadas na literatura
(Lee, Wen et al., 2003; Lee, Wen et al., 2004; De Moura, Rubira et al., 2008; Han, Wang et
al., 2009; Hua, Jiang et al., 2011; Mihai, Stoica et al., 2011; Recillas, Silva et al., 2011; Sun,
Shi et al., 2011; Elsaeed, Farag et al., 2012; Hamcerencu, Desbrieres et al., 2012). Outra
característica importante é a estabilização e agregação dessas partículas em diversos meios
(Al-Manasir, Zhu et al., 2009). Essas propriedades são de conhecimento fundamental para a
escolha de um material para determinada aplicação (Thorne, Vine et al., 2011) e podem ser
convenientemente investigadas através de medidas reológicas e de sedimentação.
Nesse sentido, foi feita a síntese de partículas reticuladas inteligentes a partir de: N-
isopropilacrilamida (NIPAM) e N,N’-metilenobisacrilamida (MBA); NIPAM, QS e MBA; e
NIPAM, QS, ácido acrílico (AA) e MBA, através da polimerização por precipitação, via
radicais livres, tendo persulfato de potássio como iniciador. A incorporação dos precursores
nas partículas foi verificada por análise elementar e espectroscopia no infravermelho. O
comportamento dessas partículas em suspensão aquosa foi avaliado por reologia e por testes
de estabilidade visual e de centrifugação analítica, em pH ácido, neutro e básico, em
temperaturas abaixo e acima da LCST da PNIPAM.
9
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Esta dissertação tem como objetivo principal a obtenção de polímeros com dupla
sensibilidade, especificamente ao pH e à temperatura, visando avaliar a
estabilização/agregação das partículas obtidas.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Obter partículas através da reação de copolimerização por enxertia sobre a quitosana,
via radicais livres, com N-isopropilacrilamida ou com N-isopropilacrilamida e ácido acrílico,
utilizando N,N’-metilenobisacrilamida como agente reticulante;
Investigar o comportamento de suspensões aquosas obtidas com as partículas pH e
termorresponsivas por: (i) testes de estabilidade visual, (ii) testes de estabilidade acelerada e
(iii) análises reológicas;
Avaliar o comportamento em diversos pHs e temperaturas;
Comparar o comportamento das partículas com dupla sensibilidade ao das partículas
apenas termorresponsivas.
10
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 POLÍMEROS INTELIGENTES
A vida é polimérica em sua essência: alguns dos componentes mais importantes dos
organismos vivos são polímeros, como proteínas, carboidratos e ácidos nucleicos, que são
utilizados tanto como materiais estruturais quanto como componentes principais na regulação
de funções celulares. Uma característica desses biopolímeros funcionais é a resposta não
linear a estímulos externos (Galaev e Mattiasson, 1999; Gil e Hudson, 2004; Kumar,
Srivastava et al., 2007; Mano, 2008), isto é: pequenas mudanças ocorrem em resposta a um
parâmetro externo que esteja variando até que um ponto crítico seja atingido, quando uma
ampla mudança ocorre como resultado de uma pequena variação do parâmetro; após a
completa transição, não ocorre mais resposta significativa do sistema. Esse fenômeno é
causado por uma grande quantidade de interações cooperativas. Apesar da aparente
fragilidade das interações que ocorrem em cada mero da cadeia polimérica, quando somadas a
centenas e milhares de unidades, essas interações promovem a força motora para o processo
de resposta não linear (Galaev e Mattiasson, 1999; Mano, 2008).
Na tentativa de mimetizar esse comportamento, muitos cientistas têm desenvolvido os
chamados polímeros inteligentes (smart polymers or intelligent polymers) (Chaterji, Kwon et
al., 2007; Kumar, Srivastava et al., 2007; Maharjan, Woonton et al., 2008; Wang e Zhou,
2011), que são conhecidos pela capacidade de responder a pequenos estímulos externos de
maneira rápida, ampla e reversível (Kumar, Srivastava et al., 2007). Os estímulos podem ser:
físicos, tais como temperatura (Brun-Graeppi, Richard et al., 2010; Pelton, 2010; Beija, Marty
et al., 2011), campo elétrico/magnético (Riskin, Basnar et al., 2007; Fernández-Barbero,
Suárez et al., 2009) e luz (Zhao, 2012); químicos, como pH (Li, Heo et al., 2011; Zhao, Nie et
al., 2011) e força iônica (Zhou, Wang et al., 2006); bioquímicos, como a enzimas específicas
(Ulijn, 2006) e antígenos (Miyata, Asami et al., 1999). Os polímeros inteligentes também são
intitulados como: responsivos (responsive polymers) (Inoue, Noda et al., 2012), sensitivos
(sensitive polymers) (Schwarz, Ponce-Vargas et al., 2012), sensíveis a estímulos (stimuli-
sensitive polymers) (Hamcerencu, Desbrieres et al., 2012), responsivos a estímulos (stimuli-
responsive polymers) (Sá-Lima, Caridade et al., 2010), sensíveis ao meio (environmentally
sensitive polymers) (Seal e Panitch, 2006) ou mesmo responsivos ao meio (environmentally
responsive polymers) (Yang, Chen et al., 2009; Chuang, Don et al., 2011).
11
Quanto à forma física (Figura 1), os polímeros sensitivos podem ser classificados
como: (i) cadeias em solução, em que o polímero sofre um colapso reversível após um
estímulo ser aplicado; (ii) géis reticulados covalentemente, que intumescem ou contraem em
resposta a um estímulo; (iii) géis físicos, que se formam reversivelmente, quando o estímulo é
aplicado, ou seja, que apresentam uma transição sol-gel (solução-gelificação); (iv) micelas
poliméricas, formadas através da agregação de polímeros anfifílicos em bloco ou polímeros
modificados terminalmente; (v) cadeias imobilizadas ou (iv) enxertadas em uma superfície,
em que os polímeros contraem ou se expandem reversivelmente na superfície, convertendo a
interface de hidrofílica para hidrofóbica e vice-versa, quando um parâmetro externo
específico é modificado (Gil e Hudson, 2004; Kumar, Srivastava et al., 2007; Maharjan,
Woonton et al., 2008). Ainda, as estruturas micelares podem formar géis físicos reversíveis,
quando acima de uma concentração micelar crítica (concentração micelar de gelificação) (Gil
e Hudson, 2004).
Além disso, os polímeros inteligentes, nas mais diversas formas físicas, podem ser
conjugados com biomoléculas ou materiais sintéticos, sendo que a atividade do conjugado vai
depender da resposta do polímero em relação a um estímulo aplicado (Gil e Hudson, 2004;
Kumar, Srivastava et al., 2007).
Em virtude dessas características peculiares, os polímeros sensitivos têm atraído a
atenção dos pesquisadores para o estudo e aplicação em diversas áreas, como liberação
controlada de fármacos (Ankareddi e Brazel, 2007), separação cromatográfica (Kanazawa,
Yamamoto et al., 1996; Maharjan, Woonton et al., 2008), purificação de água (Parasuraman e
Serpe, 2011a), recuperação aumentada de petróleo (Wang, Lu et al., 2011), catálise (Yan,
Zhang et al., 2010), imobilização de enzimas e cultura de células (Nie, He et al., 2012).
Grande parte dessas aplicações utiliza-se do polímero termossensitivo PNIPAM.
Ultimamente, muitos sistemas têm sido desenvolvidos com o intuito de combinar dois
ou mais mecanismos de resposta em um único material (Bhattacharya, Eckert et al., 2007; Li,
Xing et al., 2012). Isto porque, através da aplicação simultânea de dois ou mais sinais, são
induzidos diferentes tipos de resposta, o que amplia a aplicabilidade dos materiais sensitivos
(Dimitrov, Trzebicka et al., 2007; Kumar, Srivastava et al., 2007). Em particular, existe um
crescente interesse na obtenção de materiais inteligentes nos quais as propriedades em meio
aquoso mudem abrupta e reversivelmente em resposta a mudanças simultâneas no pH e na
temperatura (Sun, Zhang et al., 2007; Bao, Li, Gan et al., 2010). A combinação das
propriedades pH e termorresponsivas em um mesmo sistema tem sido objeto de grande
12
interesse tecnológico e científico, devido a grande importância dessas variáveis em sistemas
químicos e fisiológicos típicos (Taşdelen, Kayaman-Apohan et al., 2004; Medeiros, Santos et
al., 2011).
Figura 1 – Ilustração de diferentes formas físicas dos polímeros responsivos: (i) cadeias em solução; (ii) géis
reticulados covalentemente; (iii) géis físicos; (iv) micelas poliméricas; (v) cadeias adsorvidas ou (vi) graftizadas
em uma superfície
Fonte: Autor
13
3.1.1 Polímeros Sensíveis à Temperatura
A sensibilidade à temperatura é uma das características mais interessantes (Wei,
Cheng et al., 2009) e a propriedade mais estudada em sistemas poliméricos responsivos
(Maharjan, Woonton et al., 2008). Isto porque a mudança na temperatura é algo simples de
ser controlado e de fácil aplicação em sistemas in vitro e in vivo (Gil e Hudson, 2004; He,
Kim et al., 2008; Brun-Graeppi, Richard et al., 2010; Chen, Ferris et al., 2010).
Quando um polímero é dissolvido em um solvente adequado, ele pode tornar-se
insolúvel com o aumento ou a diminuição da temperatura, precipitando da solução (Weber,
Hoogenboom et al., 2012). A solubilidade da maioria dos polímeros aumenta quando a
temperatura é elevada (Chaterji, Kwon et al., 2007; Dimitrov, Trzebicka et al., 2007). Quando
a separação de fases ocorre com a diminuição da temperatura, o sistema apresenta uma
temperatura consoluta superior (Lucas, Soares et al., 2001) (upper critical solution
temperature – USCT) (Schmaljohann, 2006). Entretanto, alguns polímeros exibem um
comportamento peculiar em solução, no qual uma elevação na temperatura resulta em uma
separação de fases, e o sistema exibe uma temperatura consoluta inferior (Lucas, Soares et al.,
2001) (lower critical solution temperature – LSCT) (Dimitrov, Trzebicka et al., 2007; Kumar,
Srivastava et al., 2007; Maharjan, Woonton et al., 2008). Mais precisamente, são formadas
duas fases em equilíbrio, em que uma tem uma alta concentração de polímero e a outra uma
baixa concentração de polímero. A LCST representa o ponto mínimo da curva composição
versus temperatura e a UCST o ponto máximo (Figura 2) (Weber, Hoogenboom et al., 2012).
A figura 2 exibe a representação do diagrama de fases para um sistema binário
polímero-solvente apresentando UCST ou LCST. A curva binodal separa a região homogênea
da região heterogênea. Na região bifásica, um sistema polímero-solvente apresenta uma
separação de fases tipo líquido–líquido, na qual se encontram uma fase líquida rica em
polímero (fase gel) e outra fase líquida pobre em polímero (fase sol). A curva espinodal
divide a região heterogênea nas regiões instável, localizada dentro da curva espinodal, e
metaestável, que fica entre as curvas binodal e a espinodal (Meier, 2004).
A separação de fases em soluções de polímeros ocorre quando a composição do
sistema desloca-se da região homogênea do diagrama de fases para a região metaestável ou
instável do diagrama de fases. Caso a composição do sistema encontre-se na região
metaestável, a separação de fases ocorre segundo o mecanismo de nucleação e crescimento
14
(separação lenta), enquanto que na região instável a separação de fases ocorre pelo
mecanismo de decomposição espinodal (separação rápida).
A separação de fases por nucleação e crescimento é um processo iniciado com
flutuações locais de densidade ou concentração nas soluções poliméricas, formando núcleos
de crescimento dispersos na solução. A formação do núcleo é favorecida quando a sua energia
superficial livre (responsável pela formação de uma superfície líquida dentro de uma fase
homogênea) for maior que a barreira de ativação para sua formação. Já o mecanismo de
decomposição espinodal inicia-se, não a partir de um núcleo, mas sim com flutuações
deslocalizadas de concentração, com a modulação da composição variando de forma senoidal.
As flutuações aumentam nos estágios intermediários e a coalescência das fases ocorre no
último estágio. O processo é espontâneo, que não requer energia de ativação e que ocorre com
um coeficiente de difusão negativo (Olabisi, Robeson et al., 1979).
Figura 2 – Representação de um diagrama de fases para um sistema binário polímero-solvente apresentando (a)
UCST e (b) LCST
Fonte: Adaptado de (Olabisi, Robeson et al., 1979; Kamide, 1990)
Especificamente, a LCST pode ser definida como a temperatura na qual a solução
polimérica sofre uma transição de fases, passando de um estado em que as cadeias do
polímero são solúveis no meio (uma fase), para um estado no qual as cadeias são insolúveis
no solvente (duas fases), quando a temperatura do sistema é aumentada (Chaterji, Kwon et al.,
15
2007; Bajpai, Shukla et al., 2008; Bajpai, Shukla et al., 2010; Brun-Graeppi, Richard et al.,
2010). Essa transição de fases é reversível, pois quando o estímulo é removido, ou seja, a
temperatura é diminuída para um valor inferior à LCST do polímero, o mesmo volta a ser
solúvel no meio (Bajpai, Shukla et al., 2010).
A temperatura consoluta inferior é governada pelo balanço entre as interações
hidrofílicas e hidrofóbicas (Eeckman, Moës et al., 2002). Em temperaturas abaixo da
temperatura crítica, em que se tem apenas uma fase, as ligações de hidrogênio formadas entre
os segmentos hidrofílicos do polímero e as moléculas de solvente são dominantes, levando,
assim, a sua dissolução em água. Com o aumento da temperatura, as ligações de hidrogênio
enfraquecem, enquanto que as interações entre os segmentos hidrofóbicos tornam-se mais
fortes, levando a uma contração das cadeias (Bajpai, Shukla et al., 2010). Esse
comportamento é ilustrado na Figura 3, em que uma cadeia polimérica em meio aquoso passa
de um estado expandido a baixas temperaturas (novelo), para um estado contraído (glóbulo)
acima da LCST.
Figura 3 – Representação da transição de fases de um polímero linear que apresenta LCST em água
Novelo Glóbulo
Fonte: (Weber, Hoogenboom et al., 2012)
Observando a LCST de um ponto de vista termodinâmico, o processo de solubilização
em temperaturas baixas é favorecido através da formação de ligações de hidrogênio, o que
leva a uma entalpia de solubilização negativa. Por outro lado, apesar de um pequeno ganho na
entropia no processo de solubilização, a entropia de organização do sistema necessária para
16
que ocorram essas interações de hidrogênio é desfavorável (entropia negativa). Dessa forma, a
energia livre de dissolução, ΔG , dada por ΔH-TΔS , pode mudar de negativa (solução) para
positiva (transição de fases) com o aumento da temperatura (Costa e Freitas, 2002; Vieira,
2006; Dimitrov, Trzebicka et al., 2007; Weber, Hoogenboom et al., 2012).
Uma importante família dos polímeros termorresponsivos com LCST são as
poliacrilamidas N-alquilsubstituídas, tendo como representante principal a poli (N-
isopropilacrilamida) (Gil e Hudson, 2004; Liu, Fraylich et al., 2009; Bajpai, Shukla et al.,
2010; Medeiros, Santos et al., 2011), que será abordada mais detalhadamente no decorrer do
texto. Outros polímeros da família são: poli (N,N-dietilacrilamida) (Gil e Hudson, 2004;
Dimitrov, Trzebicka et al., 2007; Bajpai, Shukla et al., 2010; Medeiros, Santos et al., 2011),
poli (2-carboxiisopropilacrilamida), poli (N-(L)-(1-hidroximetil) propilmetacrilamida), poli
(N-acriloil-N’-propilpiperazina) (Gil e Hudson, 2004), poli (N-etilacrilamida), poli (N,N-
etilmetilacrilamida), poli (N-n-propilacrilamida) (Liu, Fraylich et al., 2009; Medeiros, Santos
et al., 2011), poli (N-etilmetacrilamida), poli (N-metil-N-isopropilacrilamida), poli (N-
isopropilmetacrilamida), poli (N-n-propilmetacrilamida), poli (N-metil-N-n-propilacrilamida),
poli (N-ciclopropilacrilamida), poli (N-ciclopropimetacrilamida) (Medeiros, Santos et al.,
2011), poli (N,N-bis(2-metoxietil) acrilamida), poli (N-(3-metoxipropil)acrilamida), poli
(etoxipropilacrilamida) (Liu, Fraylich et al., 2009) e poli (aminoetoxipropilacrilamida)
(Uğuzdoğan e Kabasakal, 2010).
Polímeros sensíveis à temperatura que não são poliacrilamidas N-alquilsubstituídas,
também têm chamado considerável atenção. Dentre eles, podem ser citados: poli (N-
vinilcaprolactama) (Dimitrov, Trzebicka et al., 2007; Liu, Fraylich et al., 2009; Bajpai,
Shukla et al., 2010), poli (2-etil-2-oxazolina) (Liu, Fraylich et al., 2009), poli (vinil metil éter)
(Dimitrov, Trzebicka et al., 2007; Liu, Fraylich et al., 2009), poli (2-isopropil-2-oxazolina),
poli ((2-dimetilamino) metacrilato de etila), poli (óxido de propileno) (Liu, Fraylich et al.,
2009) e poli (N-acriloilpiperidina) (Medeiros, Santos et al., 2011).
Outro grupo de polímeros que apresentam LCST são macromoléculas de celulose
alquil-substituídas, como metilcelulose, etil(hidroxietil)celulose, e hidroxipropilcelulose, que
são potencialmente importantes para aplicação biomédica, já que são polímeros naturais
modificados. Esses polímeros podem ser dissolvidos em água a baixas temperaturas por causa
da presença de hidroxilas e de éteres nas unidades repetidas (Liu, Fraylich et al., 2009).
Alguns desses polímeros estão representados a seguir, na Figura 4.
17
Figura 4 – Estrutura química de alguns polímeros termorresponsivos: (a) poli (N-isopropilacrilamida); (b) poli
(N,N-dietilacrilamida); (c) poli (N-etilacrilamida); (d) poli (2-carboxiisopropilacrilamida); (e) poli (N-(L)-(1-
hidroximetil) propilmetacrilamida); (f) poli (N-acriloil-N’-propillpiperazina); (g) poli (N-vinilcaprolactama); (h)
poli ((2-dimetilamino) metacrilato de etila); (i) poli (2-etil-2-oxazolina); (j) poli (2-isopropil-2-oxazolina); (k)
poli (vinil metil éter); (l) poli (óxido de propileno); (m) metilcelulose; (n) etil(hidroxietil)celulose
Fonte: Autor
3.1.1.1 Poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM)
O polímero termossensitivo que tem sido mais extensivamente estudado é a poli (N-
isopropilacrilamida) (PNIPAM) (De Las Heras Alarcón, Pennadam et al., 2005; Dimitrov,
Trzebicka et al., 2007; Maharjan, Woonton et al., 2008; Tang, Hua et al., 2008; Patrizi,
18
Piantanida et al., 2009; Wei, Cheng et al., 2009; Medeiros, Santos et al., 2011), o qual
apresenta uma temperatura consoluta inferior de aproximadamente 32 °C em água (Sun, Shi
et al., 2011). Abaixo dessa temperatura, as ligações de hidrogênio entre os grupos amida do
polímero e as moléculas de água são dominantes, levando à dissolução em água (Recillas,
Silva et al., 2009). Com o aumento da temperatura, as ligações de hidrogênio polímero-
solvente enfraquecem, enquanto que as interações entre os grupos hidrofóbicos isopropil do
polímero tornam-se mais fortes, levando a uma contração das cadeias (Al-Manasir, Zhu et al.,
2009; Han, Wang et al., 2009). Acima da LCST, soluções muito diluídas geram agregados
com poucas cadeias de PNIPAM, enquanto que soluções mais concentradas levam a formação
de partículas com tamanho coloidal ou precipitados macroscópicos (Pelton, 2010). A Figura 5
ilustra a transição de fase da PNIPAM.
Figura 5 – Transição de fase para a poli (N-isopropilacrilamida)
Fonte: (Dimitrov, Trzebicka et al., 2007)
A natureza abrupta e reversível da transição de fase da PNIPAM (Recillas, Silva et al.,
2009), assim como a biocompatibilidade e a proximidade entre os valores da LCST e a
temperatura do corpo humano, têm atraído diversos pesquisadores para o estudo desse
polímero termossensitivo (Brun-Graeppi, Richard et al., 2010), principalmente para a
aplicação na área biomédica (Cole, Voelcker et al., 2009).
Além disso, como a LCST é governada pelo balanço entre as interações atrativas
polímero-polímero e polímero-solvente, fatores estruturais que aumentem as interações
atrativas polímero-solvente aumentam a LCST; já aqueles que aumentam as interações
19
polímero-polímero diminuem a LCST (Liu, Fraylich et al., 2009; Brun-Graeppi, Richard et
al., 2010). Dessa forma, é possível controlar a temperatura de transição por modificação
(copolimerização) com comonômeros hidrofílicos (aumento na LCST) ou hidrofóbicos
(diminuição na LCST).
A LCST depende também da massa molar e da concentração. Foi relatado na literatura
que um aumento no comprimento da cadeia polimérica ou na concentração de polímero leva a
uma diminuição da LCST da poli (N-isopropilacrilamida) (Bajpai, Shukla et al., 2010). Com
relação à massa molar, pode-se dizer que quanto menor for a cadeia do polímero, menor o seu
caráter hidrofóbico e, dessa forma, maior será a sua LCST. Da mesma forma, quanto menor a
concentração de polímero, menor a quantidade de grupos capazes de realizarem associações,
o que aumenta a LCST (Durand e Hourdet, 1999). Outra abordagem para modificar a
temperatura de transição de fases da PNIPAM é a presença de sais, tensoativos e co-solventes
no meio (Brun-Graeppi, Richard et al., 2010).
3.1.1.2 Aplicações
Existe um crescente interesse em polímeros que apresentam LCST em água devido ao
enorme número de possíveis aplicações (Weber, Hoogenboom et al., 2012). Principalmente
na liberação controlada de fármacos, em que a contração-expansão dos hidrogéis ocorre por
causa da LCST, próxima à temperatura do corpo humano (Bajpai, Shukla et al., 2008; He,
Kim et al., 2008; Bajpai, Shukla et al., 2010; An, Zhang et al., 2012). Outras aplicações
incluem: purificação de substâncias, engenharia de tecidos, imobilização de enzimas,
cromatografia, recuperação avançada de petróleo.
Em processos de separação cromatográfica, por exemplo, PNIPAM e seus
copolímeros têm sido empregados no desenvolvimento de fases estacionárias
termorresponsivas para cromatografia por interações hidrofóbicas e interações iônicas, com a
utilização de vários materiais como suporte (Maharjan, Woonton et al., 2008). PNIPAM
suportada em sílica foi utilizada como fase estacionária para cromatografia líquida de alta
eficiência. Água foi utilizada como única fase móvel para a uma mistura de benzeno com
cinco esteróides diferentes. Abaixo da LCST, os solutos não foram bem separados, enquanto
que, acima da temperatura de transição da PNIPAM, foi obtida uma excelente resolução. Isso
ocorreu, possivelmente, por causa de interações entre os solutos hidrofóbicos e os grupos
isopropil da PNIPAM (Figura 6) (Kanazawa, Yamamoto et al., 1996).
20
Figura 6 – Cromatogramas que mostram a separação de uma mistura de benzeno com 5 esteróides em uma
coluna de sílica-PNIPAM, utilizando água como fase móvel, em diferentes temperaturas: (a) 5, (b) 25, (c) 35, e
(d) 50 °C. Picos: (1) benzeno; (2) hidrocortisona; (3) prednisolona; (4) dexametasona; (5) acetato de
hidrocortisona; (6) testosterona
Fonte: (Kanazawa, Yamamoto et al., 1996)
No caso de hidrogéis reticulados quimicamente sensíveis à temperatura, por exemplo,
uma das aplicações mais interessantes é na purificação de macromoléculas. O processo
baseia-se no fato de que os hidrogéis podem absorver várias vezes o seu peso em água, mas
excluem macromoléculas, por causa do impedimento estérico que existe como resultado do
tamanho dos poros. Dessa forma, apenas moléculas de pequena massa molar conseguem
entrar no hidrogel. Outro fator é que o volume desses hidrogéis é alterado reversivelmente
com a temperatura, de tal modo que eles podem ser facilmente regenerados e reutilizados. A
Figura 7 mostra um esquema simplificado do processo. (i) O hidrogel é adicionado a uma
solução contendo macromoléculas; (ii) o hidrogel expande, como resultado da absorção de
solvente e de componentes de baixa massa molar, mas excluindo as macromoléculas; (iii) a
solução resultante torna-se concentrada em moléculas de alta massa molar, podendo ser
separada do hidrogel por filtração; (iv) o hidrogel pode ser recuperado através do aumento da
temperatura, que provoca uma contração do mesmo, liberando o solvente absorvido e as
21
moléculas de pequena massa molar (extrato); (v) esse hidrogel contraído, após ser separado
do extrato, está pronto para ser utilizado novamente. Esse processo combina a seletividade
dos hidrogéis, devido ao entrelaçamento das moléculas e a densidade das ligações cruzadas,
juntamente com sua sensitividade, responsável pela variação abrupta do volume com a
temperatura. Uma vantagem desse processo de separação em relação a outros é justamente o
fato do gel poder ser reutilizado. Quando se usa materiais para a confecção do gel que não
permitem sua restauração, o material utilizado para separação tem que ser descartado após o
uso, e desse modo torna os processos inviáveis economicamente (Teixeira, 2005; Silva,
2006).
Figura 7 – Ilustração do processo de purificação de macromoléculas através da utilização de macrogéis
termorresponsivos
Fonte: Autor
Microgéis de PNIPAM também oferecem um grande potencial na recuperação de
petróleo. Os microgéis podem ser injetados em um reservatório de petróleo para bloquear
22
zonas de alta permeabilidade, fazendo com que a água de injeção, de baixa viscosidade, seja
forçada a passar por zonas de permeabilidade mais baixa, deslocando até a superfície o óleo
viscoso contido nessa zona. O mecanismo de bloqueio se dá pela ativação térmica, já que os
reservatórios possuem temperaturas elevadas, promovendo a agregação das partículas. Ao
contrário, antes de serem injetados no poço, os microgéis encontram-se dispersos no solvente,
já que a temperatura é abaixo da temperatura de transição (Figura 8) (Thorne, Vine et al.,
2011).
Figura 8 – Modelo de recuperação aumentada de petróleo pela injeção de microgéis
Fonte: Adaptado de (Thorne, Vine et al., 2011)
23
3.1.2 Polímeros sensíveis ao pH
Para os polímeros inteligentes que são sensíveis ao pH, as interações polímero-
polímero e polímero-solvente experimentam abruptos reajustes devido a pequenas mudanças
no pH do meio (Bajpai, Shukla et al., 2008). Isso é atribuído ao fato de que os polímeros pH-
responsivos são polieletrólitos com grupos laterais de bases e/ou ácidos fracos, que recebem
ou liberam prótons, respectivamente, em resposta a mudanças no pH do sistema polimérico
(Bajpai, Shukla et al., 2010). Isto ocorre porque o grau de ionização de ácidos ou bases fracas
é significativamente alterado em virtude de uma variação no pH, próximo ao valor do pKa
desses grupos. Uma mudança rápida na carga dos grupos pendentes causa uma alteração no
volume hidrodinâmico das cadeias dos polímeros (Gil e Hudson, 2004; Chaterji, Kwon et al.,
2007).
Um polieletrólito é uma macromolécula que, quando dissolvida em meio aquoso ou
outro solvente ionizante, se ioniza gerando íons. Consequentemente, em virtude da repulsão
eletrostática entre as cargas de mesmo sinal presentes nas cadeias poliméricas, a
macromolécula se expande. Entretanto, se o solvente não permitir a ionização do
polieletrólito, a cadeia solúvel permanece em um estado compacto. Se as cadeias do
polieletrólito possuírem caráter hidrofóbico quando não ionizadas, elas colapsam em forma de
glóbulos e precipitam da solução aquosa. Já que o grau de ionização de um polieletrólito fraco
é controlado através do pH do meio aquoso, os polímeros pH-responsivos mudam
abruptamente de conformação em resposta a pequenas mudanças no pH do meio aquoso
(Bajpai, Shukla et al., 2008).
No caso de hidrogéis pH-responsivos que são quimicamente reticulados, o material
passa de um estado contraído para intumescido em resposta a uma pequena variação no pH do
meio, que depende do grau de ionização dos grupos funcionais de ácidos ou bases fracos. A
diferença na concentração de contraíons no interior do hidrogel em relação à solução externa,
que varia em função do pH do solvente, gera uma pressão osmótica, a qual governa a
mudança no volume e, consequentemente, o processo de contração/intumescimento (Gil e
Hudson, 2004). Ainda, é importante salientar que, a extensão do intumescimento do hidrogel
também depende das interações entre as cadeias poliméricas reticuladas com o solvente e da
força elástica restauradora do gel (Figura 9) (Chaterji, Kwon et al., 2007; Bajpai, Shukla et
al., 2010; Samchenko, Ulberg et al., 2011).
24
Por exemplo, em soluções básicas, grupos ácidos presentes em um hidrogel sofrem
desprotonação. Os hidrogênios ácidos gerados se combinam com os OH- do meio, formando
moléculas de água. A neutralidade de cargas no hidrogel é mantida pela entrada de cátions
(contraíons móveis) na rede tridimensional. A densidade de cargas de mesmo sinal (que, para
os hidrogéis aniônicos é negativa) dentro da rede polimérica é aumentada, acompanhada pelo
aumento na concentração de cátions no hidrogel, o que dá origem a uma pressão osmótica,
promovendo a entrada de água no interior da rede polimérica, aumentando as interações entre
o polímero e o solvente, resultando no intumescimento do hidrogel. O intumescimento chega
ao equilibro com o balanço das pressões interna e externa, juntamente com as interações
polímero-polímero na rede, que limitam o intumescimento do hidrogel (Chaterji, Kwon et al.,
2007; Bajpai, Shukla et al., 2010).
Figura 9 – Mudança no tamanho de um microgel polieletrólito em função do pH do meio
Fonte: (Thorne, Vine et al., 2011)
A reversibilidade do processo pode ser observada quando o pH do meio fica ácido.
Nesse caso, o hidrogel aniônico é protonado, resultando em uma diminuição tanto na
densidade de cargas negativas quanto na quantidade de contraíons dentro do hidrogel, levando
à contração do mesmo. Também, é importante salientar que, se o hidrogel com grupos ácidos
já estiver completamente desprotonado em um meio básico, e o pH for elevado a valores
ainda maiores (aumento da força iônica), ocorrerá uma contração do hidrogel, devido à
geração de uma pressão osmótica no sentido contrário (Figura 10) (Bajpai, Shukla et al.,
2008; Bajpai, Shukla et al., 2010; Samchenko, Ulberg et al., 2011).
25
Figura 10 – Intumescimento/contração de um hidrogel pH-sensitivo aniônico em função da força iônica do meio
Fonte: (Bajpai, Shukla et al., 2008)
Os polímeros responsivos ao pH podem ser divididos em polibases, poliácidos (Gil e
Hudson, 2004; Maharjan, Woonton et al., 2008), ou, ainda, anfóteros (Bajpai, Shukla et al.,
2010).
3.1.2.1 Poliácidos
Os poliácidos possuem grupos ácidos (-COOH, -SO3H) nas cadeias poliméricas, que
são desprotonados quando o pH fica acima do pKa, gerando poliânions; quando o pH do meio
fica abaixo do pKa, os grupos são protonados (Gil e Hudson, 2004; Bajpai, Shukla et al.,
2010; Medeiros, Santos et al., 2011; Samchenko, Ulberg et al., 2011). A maioria dos
polímeros aniônicos sensitivos ao pH é baseada no poli (ácido acrílico) (PAA) ou seus
derivados (Figura 11) (Bajpai, Shukla et al., 2008).
Figura 11 – Polímeros aniônicos sensíveis ao pH: (a) poli (ácido acrílico); (b) poli (ácido metacrílico); (c) poli
(ácido 2-etil acrílico); (d) poli (ácido 2-propil acrílico)
Adaptado de: (Gil e Hudson, 2004)
26
3.1.2.2 Polibases
As polibases possuem grupos básicos (-NH2) em sua estrutura, os quais são
protonados em valores de pH inferiores ao pKa dos grupos, gerando policátions; quando o pH
do meio fica acima do pKa, os grupos desprotonam. Alguns policátions estão representados na
Figura 12 (Gil e Hudson, 2004; Liu e Urban, 2010).
Figura 12 – Polímeros catiônicos sensíveis ao pH: (a) poli (metacrilato de N,N’-dimetil aminoetila), (b) poli
(metacrilato de N,N-dietil aminoetila), (c) poli (4 ou 2-vinilpiridina), (d) poli (vinil imidazol)
Adaptado de: (Gil e Hudson, 2004)
3.1.2.2.1 Quitosana
A quitosana (QS) é um dos polímeros de fonte renovável que têm chamado mais
atenção, principalmente para a área biomédica, por causa de suas propriedades biológicas
favoráveis como biocompatibilidade, biodegradabilidade, mucoadesividade, atividade
antimicrobiana e baixo custo. Além disso, seus produtos de degradação são não tóxicos, não
imunogênicos e não carcinogênicos (Alves e Mano, 2008; Bajpai, Shukla et al., 2010). Esse
polissacarídeo tem sido extensivamente obtido através da desacetilação da quitina (Carreira,
Goncalves et al., 2010), o segundo polissacarídeo mais abundante da natureza, perdendo
apenas para a celulose (Dos Santos Alves, Lima Vidal et al., 2009; Dash, Chiellini et al.,
2011). A quitosana também pode ser encontrada naturalmente em alguns fungos (Dash,
Chiellini et al., 2011) (Figura 13).
27
Figura 13 – Estruturas químicas da (a) celulose; (b) quitina e (c) quitosana
Fonte: Autor
A quitina é constituída predominantemente por unidades repetitivas de 2-acetamido-2-
desoxi-D-glicopiranose unidas por ligações glicosídicas β-(1→4). É uma estrutura semelhante
à da celulose, sendo que, nesta última, ao invés dos grupos acetamido existem hidroxilas
(unidades β-(1→4)-2-desoxi-D-glicopiranose). A quitina pode ser encontrada no exoesqueleto
de crustáceos, insetos e alguns fungos. As principais fontes comerciais da quitina são os
resíduos de camarões, lagostas e caranguejos. Mas, apesar da produção mundial de várias
toneladas por ano, não têm sido encontradas aplicações para a quitina, além de ser matéria
prima para produção da quitosana, por causa da sua falta de solubilidade em praticamente
todos os solventes comuns. A dificuldade de solubilização da quitina é atribuída a grande
quantidade de ligações de hidrogênio existentes entre suas cadeias (Dos Santos Alves, Lima
Vidal et al., 2009; Pillai, Paul et al., 2009; Dash, Chiellini et al., 2011).
28
A obtenção da quitosana a partir da desacetilação termoquímica da quitina ocorre em
meio básico, sendo que a maioria dos métodos propostos envolve a hidrólise na posição
acetilada por meio de soluções de hidróxido de sódio ou de potássio, ou a mistura de hidrazina
anidra e sulfato de hidrazina. O tratamento da quitina em solução aquosa de NaOH a 40-45 %
(m/v), a temperaturas na faixa de 90-120 °C, por 4-5 horas, resulta na N-desacetilação da
quitina. As condições utilizadas para a desacetilação determinam a massa molar média e o
grau de desacetilação da quitosana (Dash, Chiellini et al., 2011).
A quitosana é um copolímero linear composto de unidades 2-amino-2-desoxi-D-
glicopiranose (em maior proporção) e 2-acetamida-2-desoxi-D-glicopiranose, interligadas por
ligações glicosídicas β-(1→4) (Garcia, Costa et al., 2008; Dash, Chiellini et al., 2011). A
quantidade de grupos 2-amino-2-desoxi-D-glicopiranose determina o grau de desacetilação do
copolímero. De maneira geral, é considerado que quando o grau de desacetilação (GD) da
quitina é maior que 50 % (dependendo da origem do polímero e da distribuição dos grupos
acetil ao longo das cadeias), o polímero se torna solúvel em meio aquoso ácido e é nomeado
quitosana (Alves e Mano, 2008).
A presença dos grupos amino (-NH2), com pKa em torno de 6-6,5, nas cadeias de QS,
possibilita a sua solubilização em soluções aquosas ácidas diluídas (pH < 6). Essa propriedade
faz da quitosana um polímero pH-responsivo. A baixos valores de pH, os grupos amino ficam
protonados (positivamente carregados), fazendo da quitosana um polieletrólito catiônico
solúvel em água. Quando o pH aumenta acima do pKa dos grupos amino, a quitosana
desprotona e o polímero deixa de estar carregado, tornando-se insolúvel (Dash, Chiellini et
al., 2011).
3.1.2.3 Polímeros anfóteros ou esquizofrênicos
Os polímeros anfóteros são polímeros pH sensitivos que possuem tanto grupos ácidos
quanto grupos básicos ao longo da cadeia (Guo e Gao, 2007). Eles também são chamados de
esquizofrênicos, por causa da presença de grupos catiônicos e aniônicos num mesmo material.
Dessa forma, a carga resultante do material pode ser modulada, para a obtenção de
propriedades desejadas, através da mudança na proporção entre grupos ácidos ou básicos
durante a síntese e do pH do meio (Bajpai, Shukla et al., 2010). Sendo assim, a seleção
apropriada de monômeros ácidos e/ou básicos, bem como a proporção, durante a síntese dos
copolímeros, é de fundamental importância para a aplicação desejada.
29
3.1.2.4 Aplicações
A variação abrupta no volume em função do pH é particularmente interessante para
aplicações biomédicas. Isto porque o corpo humano exibe variações no pH ao longo do trato
gastrointestinal, assim como em áreas específicas como certos tecidos (áreas tumorais) e
compartimentos subcelulares (Bajpai, Shukla et al., 2008; Bajpai, Shukla et al., 2010; Brun-
Graeppi, Richard et al., 2010). Por exemplo, o estômago possui um valor de pH de 1,2,
enquanto que o pH do intestino delgado é de 7,4. Além disso, é sabido que o pH extracelular
de tumores (6,8-6,9) é mais ácido do que o pH intracelular de tumores (7,2) e do que pH
extracelular de tecidos (7,4) (Schmaljohann, 2006; Medeiros, Santos et al., 2011). Nesse
sentido, hidrogéis sensíveis ao pH são os mais frequentemente utilizados no desenvolvimento
de sistemas de liberação controlada de fármacos (Samchenko, Ulberg et al., 2011). Outras
aplicações dos polímeros pH-sensitivos incluem cultura de células (Patil, Chaudhury et al.,
2012), inibidores de corrosão (Chen e Fu, 2012) e regeneração de tecidos (Sá-Lima, Caridade
et al., 2010; Tan, Rubin et al., 2010).
Geralmente, peptídeos e proteínas, como a insulina, por exemplo, não podem ser
administrados por via oral, por causa da degradação dessas substâncias por enzimas
proteolíticas no trato gastrointestinal e por causa da taxa extremamente baixa de transporte
através da mucosa intestinal. Para superar essas barreiras na liberação por via oral, diversas
estratégias têm sido investigadas, como o uso de agentes promotores de absorção e de
inibidores de protease, que tem levado a uma melhor assimilação das proteínas (Lowman,
Morishita et al., 1999; Nakamura, Murray et al., 2004; Bajpai, Shukla et al., 2010).
A avaliação de hidrogéis pH-responsivos graftizados como veículos para liberação de
insulina por via oral foi relatada na literatura. Esses géis, nomeados poli (ácido metacrílico-g-
etileno glicol), foram feitos a partir de cadeias de poli (ácido metacrílico) enxertadas com poli
(etileno glicol) (PEG), utilizando dimetilacrilato de etilenoglicol como agente reticulante.
Estudos in vitro (Morishita, Lowman et al., 2002) mostraram que todas as formulações foram
capazes de absorver grande quantidade de insulina da solução, sendo que a velocidade de
assimilação foi significativamente maior (20 minutos) para o copolímero com quantidade
equimolar de ácido metacrílico e PEG. Para o hidrogel produzido na proporção de 4:1 (ácido
metacrílico: PEG) e para o hidrogel de poli (ácido metacrílico), uma absorção quase completa
de insulina foi observada em 24 horas de incubação. Esse desempenho foi atribuído ao fato de
30
que a insulina possui maior afinidade com as cadeias do PEG, fazendo com o que maior
incorporação de fármaco fosse observada no copolímero com maior quantidade de PEG.
A liberação da insulina, em função do pH, também foi estudada (Morishita, Lowman
et al., 2002). Em meio ácido (pH=1,2), a insulina teve liberação de apenas 6% para o hidrogel
na proporção de 1:1, enquanto que os hidrogéis de poli (ácido metacrílico-g-etileno glicol)
(ácido: PEG de 4:1) e de poli (ácido metacrílico) tiveram uma liberação de 50% da insulina
em um período de 2 horas. O comportamento em meio ácido, similar ao do estômago, foi
atribuído à formação de ligações de hidrogênio entre os prótons ácidos do poli (ácido
metacrílico) e o oxigênio do PEG. Essas reticulações físicas promoveram uma diminuição do
tamanho do poro dos géis, o que impede a liberação da insulina, protegendo-a do meio ácido.
Assim, quanto maior a quantidade de PEG no gel, maior a formação de ligações de
hidrogênio, menor o tamanho dos poros, e menor a liberação. No caso do hidrogel sem PEG,
o poli (ácido metacrílico), em meio ácido, a diminuição do tamanho do poro ocorre apenas em
função da hidrofobicidade do material nessas condições; mas, por causa da ausência das
reticulações físicas com o PEG, o tamanho do poro é suficiente para a passagem da insulina.
Já em um valor mais elevado de pH (6,8), devido à rápida dissociação dos grupos ácidos, a
insulina foi rapidamente liberada em todos os hidrogéis. Contudo, um pequeno retardamento
na liberação foi observado para o hidrogel com proporções equimolares de ácido e PEG,
quando comparado aos outros géis, devido à interação da insulina com as cadeias de PEG
(Figura 14).
Em outro estudo (Lowman, Morishita et al., 1999), a insulina foi incorporada nos
hidrogéis pH-sensíveis de poli (ácido metacrílico-g-etileno glicol) e administrada oralmente
em ratos saudáveis e diabéticos. No ambiente ácido no estômago, os géis não intumesceram
devido à formação de complexos intermoleculares. Dessa forma, a insulina ficou retida nos
géis e protegida da degradação proteolítica. No ambiente básico do intestino, os complexos
intermoleculares foram desfeitos, o que resultou em rápido intumescimento dos hidrogéis e
liberação da insulina. Dentro de 2 horas de administração dos copolímeros com insulina
incorporada foi observado um forte efeito hipoglicemiante, tanto nos ratos saudáveis quanto
nos diabéticos, sendo que os efeitos duraram por até 8 horas.
Também, foi investigado o efeito do tamanho das partículas de poli (ácido metacrílico-
g-etileno glicol) na liberação de insulina no intestino (Morishita, Goto et al., 2004), sendo
observado que quanto menor o tamanho das partículas, maior a liberação de insulina, por
causa da maior área de contato do gel com a mucosa, resultando em maiores efeitos
31
hipoglicemiantes, sem danos detectáveis à mucosa. A mucoadesividade dos hidrogéis foi
conferida através da presença das cadeias laterais do PEG. Além disso, a presença dos grupos
carboxílicos pode blindar o Ca2+
, inibindo a ação de enzimas dependentes desse metal, o que
contribuiu para a proteção da insulina da degradação por proteazes.
Figura 14 – Liberação de insulina por via oral, e sua liberação no intestino a partir de partículas de poli (ácido
metacrílico-g-etileno glicol)
Fonte: Autor
Contudo, uma das limitações inerentes ao uso de polímeros sintéticos pH-responsivos,
quando se trata da aplicação biomédica, é a não biodegradabilidade desses materiais. Em
alguns casos, se o polímero não degrada dentro do corpo, ele deve ser cirurgicamente
removido, implicando em alto custo e risco para o paciente (Samchenko, Ulberg et al., 2011).
A biodegradabilidade é uma propriedade que faz com que materiais degradem in vivo em
fragmentos menores que podem ser excretados pelo corpo. Como a não toxicidade é
fundamental, esses produtos de degradação não podem ser tóxicos (a não ser que sejam
desenvolvidos para esse fim), não devem criar nenhuma resposta inflamatória e têm que
permanecer no corpo por um período de tempo razoável requerido pela aplicação. A
degradação pode ocorrer por um processo biológico ativo (participação de enzimas presentes
no organismo), por meio passivo (resultado de reações químicas) ou simplesmente pela
solubilização gradativa do polímero (Silva, 2006). Dessa forma, muita atenção tem sido dada
ao desenvolvimento de materiais pH-responsivos que sejam baseados em polipeptídeos,
proteínas e polissacarídeos (Samchenko, Ulberg et al., 2011).
32
3.2 COMBINAÇÃO DAS PROPRIEDADES pH E TERMORRESPONSIVAS
Existe um interesse crescente no desenvolvimento de materiais que apresentem
sensibilidade tanto ao pH quanto à temperatura em meio aquoso, em virtude da facilidade de
controle dessas propriedades e da grande aplicabilidade desses materiais, como em
biotecnologia, processamentos químicos e áreas médicas. Como mencionado previamente,
dentre os polímeros termorresponsivos, o mais extensivamente investigado é a PNIPAM.
Hidrogéis poliméricos pH e termorresponsivos têm sido frequentemente sintetizados a partir
da copolimerização radicalar da NIPAM com monômeros do tipo ácido acrílico, na presença
de um agente de reticulação, comumente a N,N’-metilenobisacrilamida (MBA) (Duan, Zhang
et al., 2011). De fato, o ácido acrílico é o monômero mais utilizado para a produção de
copolímeros com a NIPAM, a fim de obter materiais com pH e termossensibilidade
(Dimitrov, Trzebicka et al., 2007).
Citando um exemplo, microgéis de PNIPAM quimicamente reticulados e de PNIPAM
com diferentes quantidades de ácido acrílico (PNIPAM-co-PAA) foram sintetizados por
polimerização por precipitação por radicais livres, utilizando persulfato de amônio como
iniciador e N,N’-metilenobisacrilamida (MBA) como agente reticulante (Figura 15). O estudo
revelou que a estabilização dos microgéis em diferentes pHs e temperaturas pode ser afetada
por fatores como: concentração polimérica, adição de surfactantes iônicos e quantidade de
grupos carregados no polímero (Al-Manasir, Zhu et al., 2009).
Figura 15 – Esquema do processo de síntese de microgéis de PNIPAM-co-PAA, por polimerização por
precipitação, usando um iniciador radicalar (persulfato) e MBA como agente de reticulação
Fonte: (Al-Manasir, Zhu et al., 2009)
33
Com o intuito de incorporar, aos polímeros de dupla sensibilidade, propriedades
biológicas favoráveis, tais como biodegradabilidade, biocompatibilidade e baixa toxicidade,
tem sido sugerido a introdução de polissacarídeos, entre os quais se destaca a quitosana, que
também é pH-sensitiva. Várias maneiras de unir as cadeias de quitosana com as de PNIPAM
têm sido propostas. Han e colaboradores (2009), por exemplo, desenvolveram hidrogéis de
quitosana funcionalizada com metacrilato de glicidila (QS-MAG) e copolimerizada com
NIPAM, utilizando N,N’-metilenobisacrilamida (MBA) como agente reticulante. A
copolimerização foi realizada via fotopolimerização. A solução de QS-MAG com os demais
reagentes foi irradiada com luz na faixa do ultravioleta, fazendo com o que fotoiniciador 2959
sofresse quebra homolítica nas suas ligações C-C, gerando radicais livres, que promoveram a
clivagem das duplas ligações (C=C) do monômero, do agente reticulante e do derivado de
quitosana. Esse processo gerou hidrogéis nos quais as cadeias de PNIPAM e de quitosana
estão covalentemente ligadas (Figura16).
Figura 16 – Esquema de preparação dos hidrogéis
Fonte: (Han, Wang et al., 2009)
34
A liberação de um fármaco modelo, o ácido laranja 8 (AL8), foi avaliado em meio
ácido (pH = 2,2) e meio neutro (pH = 7,4), a uma temperatura de 37 °C. Em meio neutro, o
AL8 foi liberado gradualmente do hidrogel; enquanto que, em meio ácido, a taxa de liberação
foi extremamente baixa (Figura 17). Esse comportamento foi atribuído ao fato das interações
do AL8 com o hidrogel ser dependente do pH do meio. Isso porque, em meio ácido, os grupos
amino da quitosana encontram-se positivamente carregados, enquanto que em meio neutro
eles encontram-se na forma não ionizada. Dessa forma, em pH ácido, existe uma forte
interação eletrostática atrativa entre os grupos amino protonados da quitosana (-NH3+) com o
grupo SO3- do AL8, que dificulta a liberação do AL8. A falta de interação em pH neutro
promoveu a liberação gradual do fármaco modelo nesse meio (Han, Wang et al., 2009).
Figura 17 – Perfil de liberação cumulativa do ácido laranja 8 do hidrogel em diferentes valores de pH de
soluções tampão
Fonte: (Han, Wang et al., 2009)
Hua e colaboradores (2011) sintetizaram copolímeros de quitosana-g-PNIPAM
conjugados com Lilial (3-(4-terc-butilfenil) isobutiraldeído) e verificaram a liberação desse
último em função do pH e da temperatura do meio. A formação do conjugado foi realizada
através da reação do grupo aldeído do lilial com o –NH2 da quitosana, em meio iônico líquido
(cloreto de 1-butil-3-metilimidazolina, [BMIM]Cl), identificado como bom solvente para a
quitosana. A base de Schiff gerada por essa reação é estável em meio neutro (durante
armazenamento e trânsito do fármaco), mas é progressivamente hidrolisada quando o pH fica
abaixo de 6 (captação endossomal ou lisossomal). A enxertia da quitosana com cadeias de
35
PNIPAM foi feita por reações de esterificação. Isso foi possível porque a PNIPAM foi
previamente funcionalizada com grupos carboxílicos terminais (Figura 18).
Figura 18 – Representação esquemática da rota sintética para a obtenção do copolímero conjugado PNIPAM-
quitosana-Lilial
Fonte: (Hua, Jiang et al., 2011)
O conjugado PNIPAM-quitosana-Lilial associou-se na forma de estruturas núcleo-
corona (core-shell) em meio aquoso de pH = 7,4, à temperatura ambiente, sendo o núcleo
formado por quitosana-lilial e a corona por PNIPAM. O tamanho dos nanocarreadores (d ∼
142 ± 60 nm) ficou em uma faixa desejável para aplicação intravenosa. Quando a temperatura
foi elevada para 37 °C, no mesmo pH, a corona de PNIPAM colapsou, o que gerou um
tamanho médio de partícula ligeiramente menor (d ∼ 135 ± 60 nm), promovendo a formação
de uma camada protetora. Esses fatores sugerem boa encapsulação durante o tempo de
armazenamento e de trânsito, revelado pela não liberação do lilial nessas condições durante
72 horas. Em pH mais ácido (pH = 4,5) e a 37 °C, mimetizando a captação por endossomos
ou lisossomos, as micelas anteriormente formadas foram desfeitas, ocorrendo a formação de
micelas inversas com tamanho reduzido (d ∼ 8 ± 3 nm), o que favorece a limpeza por
filtração renal. Neste pH, 70 % das moléculas de Lilial foram liberadas dentro de 30 horas,
através da quebra hidrolítica da base de Schiff exposta ao meio ácido (Figura 19). Esse perfil
de liberação estímulo-responsivo revelou uma abordagem viável no desenvolvimento de
nanocarreadores baseados em quitosana e PNIPAM para administração intravenosa de
fármacos hidrofóbicos (Hua, Jiang et al., 2011).
36
Figura 19 – (A) Perfil de liberação do Lilial simulado em: (a) 25 °C e pH = 7,4; (b) 37 °C e pH = 4,5. (B)
Representação esquemática da dupla responsividade do nanocarreador conjugado auto-associativo PNIPAM-
quitosana-Lilial. A PNIPAM está representada em vermelho, a quitosana em azul e o lilial em amarelo
Fonte: (Hua, Jiang et al., 2011)
Nas últimas décadas, a copolimerização por enxertia de monômeros vinílicos nas
cadeias de polissacarídeos através da iniciação por radicais livres tem atraído o interesse de
muitos cientistas. Esse tipo de síntese possibilita a produção de materiais que agregam e
melhoram as propriedades dos polímeros em relação aos seus precursores, ampliando a
aplicabilidade. Por exemplo, hidrogéis contendo apenas quitosana mostram rápida dissolução
no estômago e, assim, capacidade limitada de controle de liberação de fármacos. A enxertia
de PNIPAM permite um maior controle no processo de liberação. A enxertia de NIPAM na
quitosana também melhora as propriedades mecânicas da PNIPAM (Prabaharan e Mano,
2006; Alves e Mano, 2008; Carreira, Goncalves et al., 2010).
Entre os iniciadores dessa polimerização, tem-se o nitrato de cério amoniacal (NCA),
persulfatos em geral (XPS) e a 2,2’-azoisobutironitrila (AIBN), comumente ativados
termicamente ou ainda por sistemas redox, em que se adicionam o N,N,N’,N’-
tetrametilenodiamina (TEMED) (Prabaharan e Mano, 2006; Alves e Mano, 2008; Carreira,
Goncalves et al., 2010).
Com relação ao mecanismo para a reação de copolimerização de monômeros vinílicos
nas cadeias de quitosana, usando NCA ou XPS como iniciador, por exemplo, várias hipóteses
têm sido propostas quanto ao ponto da cadeia de quitosana em que ocorrerá a formação de
radicais livres para iniciar a reação.
Gaffar e colaboradores (2004) sugerem que a incorporação do monômero vinílico, o
anidrido itacônico, nas cadeias de QS, iniciada por NCA, ocorra pela reação radicalar entre as
37
duplas ligações do anidrido itacônico e as hidroxilas secundárias das cadeias de QS, como
apresentado no esquema da Figura 20 (Gaffar, El-Rafie et al., 2004).
Figura 20 – Esquema de enxertia de monômero vinílico nas cadeias de quitosana
Fonte: (Alves e Mano, 2008)
Chung e colaboradores (2006) propõem que o NCA abstrai um hidrogênio do grupo
CH2 ligado à hidroxila primária da glucosamina, conforme apresentado no esquema da Figura
21, a seguir (Chung, Bae et al., 2005).
Figura 21 – Esquema da reação para a síntese da QS-g-PNIPAM
Fonte: (Prabaharan e Mano, 2006)
38
Recillas e colaboradores (2009) sugerem que a copolimerização da PNIPAM, iniciada
por NCA, ocorre nos grupos amina das cadeias de quitosana, como mostrado no esquema da
Figura 22 (Recillas, Silva et al., 2009).
Figura 22 – Esquema da reação de modificação das cadeias de QS, iniciada por NCA, formando os copolímeros
de QS-g-PNIPAM
Fonte: (Recillas, Silva et al., 2009)
Da mesma forma que ocorre para o NCA, diversos mecanismos têm sido propostos
para a iniciação da quitosana utilizando persulfato, como é exemplificado na Tabela 1. Isso
mostra que, quando a reação de incorporação da PNIPAM nas cadeias da quitosana ocorrer
por meio da formação de radicais livres, o radical iniciador não é seletivo, e pode atacar
qualquer um dos pontos da cadeia de quitosana, susceptíveis à formação de radical livre.
Dessa forma, até o momento, não há um mecanismo único que explique a reação entre
PNIPAM e QS, iniciado tanto por NCA, quanto por persulfato.
39
Tabela 1 – Exemplos de mecanismos propostos para a iniciação da enxertia de monômeros vinílicos sobre a
cadeia de quitosana, utilizando persulfato como iniciador
Mecanismo proposto Referência
(Najjar, Yunus et al., 2000)
(Prashanth e Tharanathan,
2003)
(Mahdavinia, Pourjavadi et
al., 2004)
(Mun, Nurkeeva et al.,
2008)
(Ganji e Abdekhodaie,
2008)
40
Duan e colaboradores (2011) sintetizaram copolímeros de CS-g-PNIPAM, por
polimerização por precipitação, utilizando persulfato de amônio como iniciador e MBA como
agente reticulante (Figura 23). As nanopartículas obtidas foram carregadas com oridonin, um
potente agente anticancerígeno na medicina chinesa tradicional, e que tem se mostrado eficaz
contra diversos tumores, por ensaios farmacológicos e clínicos. Testes de liberação in vitro a
37 °C demonstraram que a liberação do oridonin foi maior em pH mais ácidos e menor em pH
de 7,4 (Duan, Zhang et al., 2011).
Figura 23 – Esquema de síntese dos copolímeros
Fonte: (Duan, Zhang et al., 2011)
Mais recentemente, foram preparados novos copolímeros esquizofrênicos, responsivos
à temperatura e ao pH, através da copolimerização da NIPAM e do AA nas cadeias de
quitosana, usando um sistema iniciador hidroperóxido de terc-butila/grupo amino (quitosana),
por polimerização em emulsão sem tensoativo (80°C) (Figura 24). Em meio diluído, dois
tipos de nanopartículas reversíveis foram obtidos, através da mudança no pH: micelas
positivamente carregadas com quitosana como corona, em meio ácido, e micelas
41
negativamente carregadas com PNIPAM-co-PAA como corona, em meio alcalino (Fei, Yang
et al., 2010).
Figura 24 – Esquema de síntese do copolímero quitosana-g-P(NIPAM-co-AA) por polimerzação por graftização
radicalar
Fonte: (Fei, Yang et al., 2010)
Jung e colaboradores (2009) prepararam nanopartículas termorresponsivas, tendo
PNIPAM-co-PAA como núcleo e quitosana como corona. Inicialmente, partículas de
PNIPAM-co-PAA foram sintetizadas na presença de um tensoativo (dodecilsulfato de sódio –
polimerização em emulsão) e reticuladas com MBA, utilizando persulfato de potássio como
iniciador, ativado termicamente (75 °C). Após purificação por diálise, as partículas foram
adicionadas a uma solução contendo quitosana, e 1-etil-3-dimetilamino-propil-carbodiimida
(EDC) foi adicionado, promovendo a reação entre o grupo amina da quitosana e o carboxílico
da partícula. O tamanho das partículas variou de 380 a 25 nm com o aumento da temperatura
do meio disperso. As nanopartículas com quitosana mantiveram comportamento
termossensitivo, como LCST e contração das partículas por causa da presença do núcleo com
PNIPAM, induzindo agregação por volta da LCST. Esse comportamento não foi observado
para as partículas de PNIPAM-co-PAA (sem quitosana). Além disso, as partículas de
quitosana devem apresentar maior biocompatibilidade por causa da presença do
polissacarídeo (Jung, Jang et al., 2009).
O potencial de aplicação desses materiais pH e termossensitivos baseados em
PNIPAM não se restringe apenas à área farmacêutica. Parasuraman e colaboradores
publicaram alguns trabalhos sobre a síntese de microgéis de PNIPAM-co-PAA para
descontaminação de água (Parasuraman e Serpe, 2011b; a; Parasuraman, Leung et al., 2012).
Em uma das publicações, por exemplo, as partículas de PNIPAM-co-PAA, reticuladas com
42
MBA, com diferentes quantidades de ácido acrílico, mas mantendo a concentração total de
monômero igual para todos os microgéis (140 mM), foram preparadas por polimerização por
precipitação, iniciada por radicais livres (persulfato de amônio). Foi avaliada a eficiência
desses microgéis na remoção de corantes orgânicos da água. Eles observaram que, em
temperatura ambiente, a quantidade de corante removida aumentou com o aumento na
concentração das partículas e na quantidade de ácido acrílico na partícula, sendo este
comportamento atribuído ao aumento no tamanho das partículas (determinado por
espalhamento de luz dinâmico) com o aumento na concentração de AA. Também, a remoção
do corante foi maior a maiores temperaturas, muito provavelmente por causa da
termossensibilidade da PNIPAM, que expele água, retendo o corante por interação
hidrofóbica. Com a aplicação de ciclos de temperatura, a remoção do corante orgânico foi
aumentada, embora tenha sido limitada em dois ciclos de aquecimento, provavelmente,
porque os microgéis saturaram após o segundo aquecimento, não conseguindo reter mais
nenhum material (Parasuraman e Serpe, 2011b).
Outro grupo de pesquisa, formado por Saitoh e colaboradores, tem publicado artigos
sobre a preparação de copolímeros contendo quitosana, PNIPAM e PAA para purificação de
água contaminada (Saitoh, Sugiura et al., 2009; Saitoh, Tohru, Asano, Kotaro et al., 2011;
Saitoh, Asano et al., 2012). Os copolímeros de PNIPAM-co-PAA foram sintetizados
previamente por polimerização redox (persulfato de amônio/ TEMED) da mistura de NIPAM
com AA. Então, PNIPAM-co-PAA foram ligados à quitosana por reação posterior de um
agente de condensação com 1-etil-3-dimetilamino-propil-carbodiimida. Eles avaliaram o
potencial de utilização dessas partículas para remoção de fenóis em água. Uma enzima
(tirosinase) foi adicionada ao meio aquoso contendo copolímero e o fenol, para oxidação
desse último. Ocorreu uma rápida interação dos fenóis oxidados com os grupos amino
provenientes da quitosana, a 30 °C (material ainda solúvel). Através da agitação e
aquecimento, os polímeros contendo alta concentração dos compostos oxidados depositaram e
aglutinaram-se, formando coágulos. Aumentando a concentração de polímero e a quantidade
de quitosana no copolímero, a quantidade de fenol removida também aumentou. Por exemplo,
quando 1,0 grama de copolímero contendo 8,7 % de quitosana foi empregado no tratamento
de 1 litro de água contaminada, a concentração de fenol (19 mg/L) foi reduzida para abaixo do
limite de detecção (0,08 mg/L) dentro de 2 horas (Saitoh, Sugiura et al., 2009).
43
3.3 O ESTUDO DE PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE PARTÍCULAS
POLIMÉRICAS INTELIGENTES
3.3.1 Reologia
A reologia descreve a deformação de sólidos, líquidos ou gases sob a influência de
tensões. Sólidos ideais deformam-se elasticamente, ou seja, a energia necessária para a
deformação é totalmente recuperada quando a tensão é removida. Fluidos ideais (líquidos e
gases) deformam-se irreversivelmente, ou seja, fluem. Sendo assim, a energia requerida para a
deformação é dissipada sob a forma de calor e não pode ser recuperada através da remoção da
tensão.
Os corpos reais não são sólidos ideais nem fluidos ideais. Os sólidos reais também
podem se deformar de forma irreversível (fluir) quando sob a influência de forças de
magnitude suficiente. Também, somente alguns líquidos de importância técnica ou prática se
aproximam dos líquidos com comportamento ideal. A grande maioria dos líquidos apresenta
comportamento reológico que os classifica numa região entre os líquidos e os sólidos: eles são
elásticos e viscosos e, por essa razão, são chamados viscoelásticos.
Os equipamentos que medem as propriedades viscoelásticas de materiais são
chamados reômetros. Em particular, os sistemas de medição, que envolvem a utilização de
cilindros coaxiais em reômetros, resultam do “dobramento” de ambos os pratos do modelo de
placas paralelas (Figura 25), formando um cilindro externo e outro interno. Uma amostra
líquida preenche o espaço anular entre os dois cilindros e é submetida a um cisalhamento, em
que o cilindro externo (copo) é fixo e o interno (rotor) gira (Schramm, 2006).
Antes de uma breve descrição do comportamento reológico dos fluidos, é essencial
definir um parâmetro fundamental: a viscosidade. A viscosidade de um fluido foi definida por
Newton como a resistência ao deslizamento de suas moléculas devido à fricção interna e,
quanto maior o grau de fricção interna de um fluido, maior é a sua viscosidade. O modelo de
um fluido disposto entre duas placas paralelas, sendo uma placa estacionária (inferior), auxilia
na compreensão (Figura 25). Quando uma força F é aplicada tangencialmente a placa
superior, de área A, é gerado um fluxo na camada líquida, sendo que sua velocidade diminui
em direção à placa inferior, até chegar a zero. De acordo com esse modelo, a força requerida
por unidade de área (F/A) para manter uma diferença de velocidade entre as placas (dv/dx) é
44
diretamente proporcional ao gradiente de velocidade através do líquido. Assim, o coeficiente
de proporcionalidade é igual à viscosidade (η) (Ferreira, Brandão et al., 2005).
Figura 25 – Fluxo entre duas placas paralelas
Fonte: Autor
F dv
A dx (1)
A força por unidade de área é conhecida como tensão de cisalhamento (σ) e o
gradiente de velocidade é conhecido como taxa de cisalhamento (.
). Substituindo (F/A) por
(σ) e (dv/dx) por (.
), tem-se a equação de Newton (Equação 2) para a viscosidade de um
fluido.
.
(2)
Os fluidos chamados Newtonianos apresentam uma relação linear entre a taxa de
cisalhamento e a tensão de cisalhamento, ou seja, a viscosidade mantém-se constante com a
variação na taxa de cisalhamento. Ao contrário dos fluidos Newtonianos, os fluidos não-
Newtonianos não apresentam uma relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de
cisalhamento, isto é, os valores da viscosidade variam com a variação nos valores da taxa de
cisalhamento.
Em especial, para alguns fluidos, os valores de viscosidade diminuem com o aumento
da taxa de cisalhamento; nesse caso, diz-se que o material possui comportamento
pseudoplástico. Como exemplo, têm-se alguns tipos de emulsões e vários tipos de suspensões.
Com o aumento da taxa de cisalhamento, partículas rígidas se orientam na direção do fluxo.
45
No caso de cadeias poliméricas em solução, ou no estado fundido, os entrelaçamentos entre
elas podem ser desfeitos, e as moléculas se alinham na direção do fluxo, com o aumento da
taxa de cisalhamento. O alinhamento de moléculas ou partículas permite que elas deslizem
umas sobre as outras mais facilmente, o que promove a redução na viscosidade. Partículas
com forma esférica podem ser deformadas, tornando-se mais alongadas. Células
corpusculares com formato de moedas, assim como células do sangue suspensas no plasma,
podem ter sua forma mudada para a de longos dedais, com diâmetros reduzidos, o que
significa uma passagem mais fácil através dos pequenos vasos sanguíneos. No caso de um
sistema agregado, o cisalhamento pode induzir a quebra desses agregados, o que pode auxiliar
um material a escoar mais rápido a uma determinada tensão de cisalhamento.
Vale salientar que o comportamento de fluxo pseudoplástico não é uniforme ao longo
de toda a faixa de taxa de cisalhamento aplicada. Quando em uma faixa de baixa taxa de
cisalhamento, o movimento Browniano mantém as moléculas ou partículas dispersas
aleatoriamente, apesar dos efeitos iniciais da orientação de cisalhamento. Em taxas de
cisalhamento muito baixas, os líquidos pseudoplásticos se comportam similarmente aos
líquidos Newtonianos, apresentando uma 0 independente da taxa de cisalhamento
(geralmente chamada de viscosidade a cisalhamento zero). Quando a taxa de cisalhamento
aumenta, chega-se em certo ponto em que o cisalhamento é capaz de induzir a orientação da
molécula ou partícula, ou seja, o cisalhamento excede o efeito aleatório do movimento
Browniano, o que promove a diminuição da viscosidade. Já em taxas de cisalhamento
extremamente altas, a viscosidade irá se aproximar de um valor constante, 1 . Taxas ainda
mais altas não são mais capazes de causar diminuição na viscosidade, com a obtenção de uma
orientação máxima das partículas.
Quando a viscosidade aumenta com o aumento da taxa de cisalhamento, diz-se que o
material possui comportamento dilatante e, como exemplo, tem-se certas suspensões com alta
porcentagem de sólido. Esse comportamento está relacionado à quebra do empacotamento
formado por essas partículas e, como o sistema possui uma alta concentração de sólido, o
líquido presente não é suficiente para preencher todos os vazios.
Outros tipos de fluidos não-Newtonianos são os fluidos plásticos. Esses fluidos
necessitam de uma tensão finita, conhecida como tensão de escoamento, para que ocorra
movimento das partículas. Esse tipo de comportamento é característico de fluidos de
perfuração de poços de petróleo, graxa, pasta dental, borrachas naturais, entre outros
(Schramm, 2006).
46
Sendo assim, o estudo do comportamento reológico de partículas inteligentes em meio
aquoso é um aspecto relevante de investigação (Hietala, Nuopponen et al., 2008; Recillas,
Silva et al., 2009; Dumitriu, Mitchell et al., 2011), já que ele pode ajudar a elucidar os
processos de associação (Chassenieux, Nicolai et al., 2011), particularmente, sua performance
em resposta à taxa de cisalhamento, em diferentes pHs e temperaturas. Quando partículas
termorresponsivas são submetidas a um ambiente acima da LCST, as partículas contraem,
devido ao rompimento das ligações de hidrogênio da rede polimérica com a água e à
formação de associações hidrofóbicas (Gupta e Khandekar, 2003; Nolan, Gelbaum et al.,
2006; Spizzirri, Iemma et al., 2011). A formação de estruturas compactas pode causar
resistência ao fluxo, aumentando a viscosidade, quando em baixas taxas de cisalhamento.
Quando a taxa de cisalhamento torna-se alta, as associações entre as partículas colapsadas
podem ser destruídas, resultando em comportamento pseudoplástico (Panouillé, Durand et al.,
2005; Brown e Jaeger, 2009; Malkin, Semakov et al., 2010; Majumdar, Krishnaswamy et al.,
2011). Entretanto, como a LCST depende da habilidade da formação de ligações de
hidrogênio entre os segmentos hidrofílicos do polímero e as moléculas de água, a transição
pode ser afetada pela adição de comonômeros hidrofílicos, como o ácido acrílico
(Hamcerencu, Desbrieres et al., 2011; Lue, Chen et al., 2011). A reversibilidade das
interações também pode ser estudada por meio da aplicação de ciclos de aquecimento e
resfriamento.
47
3.3.2 Estabilidade
A caracterização de suspensões é essencial para a aplicação em diversos campos,
como nanomateriais, revestimento, fabricação de papel, cerâmica, cosméticos, despoluição de
água, entre outros (Detloff e Lerche, 2008). Nesse sentido, a estabilidade de microgéis
dispersos em um solvente é uma propriedade físico-química chave, que deve ser levada em
consideração durante a avaliação de uma dispersão, para uma determinada aplicação (Thorne,
Vine et al., 2011).
A estabilidade da dispersão é governada pelo balanço das interações que ocorrem entre
as partículas do microgel e entre as partículas e o solvente (Islam, Chowdhry et al., 1995;
Thorne, Vine et al., 2011). Dessa forma, a obtenção desse parâmetro é importante para que se
possa obter uma melhor compreensão de processos que podem ocorrer nas dispersões, tais
como: sedimentação de suspensões em tintas, alimentos, cerâmicas; separações de fases em
emulsões para alimentos, cosméticos, petróleo; fenômenos de floculação, entre outros. Assim,
pode ser feita, por exemplo, a seleção dos componentes mais adequados para uma formulação
cosmética (estabilidade) (André, Willenbacher et al., 2003), ou mesmo em processos de
purificação (separação de fases) (Saitoh, Sugiura et al., 2009; Parasuraman e Serpe, 2011b; a;
Saitoh, T., Asano, K. et al., 2011; Parasuraman, Leung et al., 2012; Saitoh, Asano et al.,
2012).
A estabilidade dos sistemas poliméricos pode ser observada visualmente, mas esses
testes são muito morosos, o que traz a necessidade da avaliação em condições aceleradas.
Para suspensões e emulsões, medidas aceleradas de estabilidade podem ser realizadas através
de centrifugação e reologia (Aulton, 2001).
3.3.2.1 Centrifugação Analítica
A centrifugação analítica é um método recentemente introduzido para investigar a
estabilidade de diversos tipos de materiais em condições aceleradas (Kuentz e Röthlisberger,
2003; Detloff e Lerche, 2008). Basicamente, o sistema trata-se de uma centrífuga analítica,
com uma fonte de luz na região do infravermelho próximo (NIR – near infrared) e um sensor
ótico-eletrônico, o qual mede os perfis de transmitância das amostras, dispostas
horizontalmente, em função do tempo, em todo o comprimento das cubetas, durante a
48
centrifugação (Figura 26). Até oito amostras podem ser analisadas ao mesmo tempo com o
analisador de sedimentação LUMiFuge®
(Boyko, Pich et al., 2003; Kuentz e Röthlisberger,
2003; Iritani, Katagiri et al., 2007).
Figura 26 – Esquema de medição em uma fotocentrífuga analítica de múltiplas amostras. A fonte de NIR (1)
envia feixes paralelos (2), os quais passam através das cubetas dispostas horizontalmente (3) no rotor da
centrífuga (4). A transmitância em função do tempo e do espaço é registrada por meio do detector (5)
Fonte: (Detloff e Lerche, 2008)
A centrifugação varia de 300 a 3000 rpm (rotações por minuto), o que corresponde a
12-1200 vezes a aceleração da gravidade (9,8 m/s2), resultando em uma migração acelerada
das partículas dispersas. Variações locais na concentração das partículas são detectadas
através de mudanças na transmitância. Em zonas de boa dispersão, as partículas no meio vão
espalhar e absorver a luz e, então, a transmitância será baixa; ao contrário, qualquer
clarificação aumentará a transmitância (Libster, Aserin et al., 2009).
Essa técnica tem sido utilizada na avaliação do processo de sedimentação de diversos
materiais. Por exemplo, Klein e colaboradores (2010) utilizaram proteína isolada de soja (PIS)
e goma arábica (GA) como estabilizadores de emulsões e investigaram o efeito da natureza do
óleo nessa estabilidade. Eles testaram emulsões contendo óleo de canola, óleo de coco e D-
limoneno (10 % de óleo e 10 % de PIS:GA, na proporção em massa de 3:1). Os óleos de
canola e de coco são triglicerídeos, enquanto o D-limoneno é um terpeno (C10H16).
Observações visuais durante 30 dias não detectaram cremagem das emulsões.
49
Através do LUMiFuge (2500 rpm, 32 °C, 17 horas), estabilidade similar foi observada
para as emulsões com óleos de coco e de canola, com cremagem mínina, enquanto que para o
hidrocarboneto pôde ser vista significante cremagem e sedimentação (Figura 27). Os autores
explicaram esse comportamento por interações de hidrogênio, e outras interações hidrofílicas,
entre os grupos carbonila dos triglicerídeos com os grupos funcionais polares (amina, amida,
carboxila e hidroxila) do PIS e do GA. Resumidamente, a proteína isolada de soja e a goma
arábica foram bem ancoradas nos grupos ésteres dos óleos de coco e canola, o que
possibilitou a estabilização. Entretanto, essas interações não ocorrem quando a estrutura do
monoterpeno D-limoneno está presente.
Figura 27 – Transmitância em função da posição na cubeta, de emulsões compostas por 10 % de PIS:GA e 10%
de diferentes tipos de óleos: óleo de canola (canola oil); óleo de coco (coconut oil); D-limoneno (D-limonene)
Fonte: (Klein, Aserin et al., 2010)
Os resultados do LUMiFuge foram consonantes com os obtidos por medidas
microscópicas e de espalhamento de luz dinâmico (imediatamente após a preparação e
durante 30 dias). Observações microscópicas revelaram que as emulsões com os triglicerídeos
eram formadas, principalmente, por pequenas gotas (< 1μm), com boa estabilidade e sem
agregação observável. Já as gotas nas emulsões com o D-limoneno foram maiores,
imediatamente a partir da preparação, sofrendo coalescência e, consequentemente,
aumentando de tamanho, com o tempo. Os resultados de espalhamento de luz revelaram que o
50
tamanho das gotas nas emulsões com os triglicerídeos não aumentou com o tempo, ao
contrário das emulsões com o D-limoneno (Klein, Aserin et al., 2010).
Outros materiais incluem: misturas de bentonita e goma xantana, em soluções aquosas
(pH de 3-7) (Kuentz e Röthlisberger, 2003), emulsões óleo/água e suspensões particuladas de
dióxido de silicone (Iritani, Katagiri et al., 2007), nanotubos de carbono, em meio aquoso
contendo tensoativos (Krause, Petzold et al., 2009) nanogéis de redes poliméricas
interpenetrantes, compostos por gelatina e poli (ácido acrílico) (Koul, Mohamed et al., 2011)
e dispersões de sílica, com e sem a adição de floculantes (Mende, Schwarz et al., 2007).
Entretanto, muito pouco tem sido descrito a respeito da estabilidade de polímeros inteligentes.
Boyko e colaboradores (2003) realizaram medidas de estabilidade em soluções
aquosas de microgéis de poli (N-vinilcaprolactama-co-metacrilato de acetoacetoxietila),
reticulados com N,N’-metilenobisacrilamida (MBA), com o auxílio do LUMiFuge, a uma
temperatura de 20°C, que é abaixo da LCST da poli (N-vinilcaprolactama) (LCST = 32 °C). A
Figura 28 (a) mostra que as frentes de sedimentação movem-se na direção do fundo da cubeta,
aumentando a transmitância com o tempo, indicando a sedimentação do material.
Figura 28 – Frente de sedimentação para o microgel com maior quantidade de acetoacetoxietila (a); curvas de
sedimentação para os diferentes microgéis, sendo que da sigla run 1 para run 5 ocorre um aumento na
quantidade de unidades de acetoacetoxietila (b)
Fonte: (Boyko, Pich et al., 2003)
Adicionalmente, os perfis de transmitância foram integrados pelo computador do
equipamento, que resultaram em um gráfico da integral das transmitâncias de todo corpo da
amostra em função do tempo (Figura 28 (b)). Para todas as amostras, a transmitância aumenta
51
com o tempo, já que as partículas tendem a ir para o fundo da cubeta. A inclinação das curvas
indica que as partículas com maior quantidade de acetoacetoxietila (run 5) precipitam mais
rapidamente (inclinação maior) do que as que com menor quantidade desse componente
(inclinação menor). Valores de taxa de sedimentação foram obtidos a partir da inclinação das
curvas de transmitância em função do tempo (Figura 28 (b)), por meio do software do
acoplado ao equipamento. Foi observado que a taxa de sedimentação aumenta quase
linearmente com o aumento na quantidade do metacrilato de acetoacetoxietila nas partículas,
o que concorda com a Figura 28 (b).
A partir de dados de espalhamento de luz dinâmico, foi revelado que o raio
hidrodinâmico das partículas diminuiu com o aumento na quantidade de metacrilato de
acetoacetoxietila. Também, a velocidade de sedimentação pode ser calculada a partir da
equação de Stokes, dada a seguir (Equação 3):
22
9
r xgv
(3)
Em que: r é o raio da partícula; é a diferença de densidade entre as partículas e o meio;
xg é a força centrífuga; e é a viscosidade do meio. A viscosidade do meio e a força
centrífuga aplicada foram constantes para todos os microgéis. Já que o raio das partículas
diminui e a velocidade de sedimentação aumenta com o aumento na quantidade de metacrilato
de acetoacetoxietila, concluiu-se que ocorreu um aumento na densidade das partículas com o
aumento na quantidade desse componente. Esse comportamento foi explicado considerando
que os monômeros de metacrilato de acetoacetoxietila atuaram contribuindo para a reticulação
dos microgéis, através de reações de transferência de cadeia no grupo metileno da dicetona
(Boyko, Pich et al., 2003).
Pich e colaboradores (2009) avaliaram a estabilidade em meio aquoso, a 20 °C, de
microgéis preparados com N-vinilcaprolactama, metacrilato de acetoacetoxietila, N,N’-
metilenobisacrilamida e macromonômeros de metacrilato de poli(etileno glicol) (PEGMA),
variando a quantidade deste último. Através do LUMiFuge, foi observado que o aumento na
quantidade e na massa molar de PEGMA no meio reacional provocou um aumento na
estabilidade das partículas. De fato, o PEGMA participa da polimerização, devido à ligação
dupla, e também atua como estabilizante para o núcleo em crescimento na reação. Os autores
propuseram que o aumento na quantidade e na massa molar do PEGMA levou ao aumento no
52
número de núcleos em crescimento, o que gerou partículas menores, como confirmado por
espalhamento de luz dinâmico.
Posteriormente, Berger e colaboradores (2010) prepararam compósitos do tipo
microgel-argila, baseados em poli (N-vinilcaprolactama-co-metacrilato de acetoacetoxietila),
reticulados com MBA, contendo diferentes quantidades de nanopartículas de argila,
incorporadas durante a síntese. O aumento na quantidade de argila durante a síntese aumentou
a estabilidade das partículas em meio aquoso, a 25 °C (Figura 29). Adicionalmente, através de
um ZetaSizer, foi observado que o aumento na quantidade de argila aumentou a quantidade de
cargas (negativas), diminuiu o raio hidrodinâmico das partículas e a distribuição no tamanho
das partículas. Dessa forma, foi concluído que a maior quantidade de cargas e menor tamanho
(com o aumento na quantidade de argila) levou a estabilidade das partículas no meio, o que
preveniu a aglomeração ou precipitação. Os autores justificaram o comportamento
considerando que as nanopartículas de argila estabilizam as partículas recém-formadas, nos
estágios iniciais da polimerização por precipitação, o que induz a uma maior quantidade de
precursores iniciais que não crescem por agregação (o que formaria microgéis maiores), mas
que crescem preferencialmente por polimerização dos monômeros dissolvidos no meio
aquoso (Berger, Singh et al., 2010).
Figura 29 – Posição normalizada da frente de sedimentação, rx/r-1 (rx = distância do centro do rotor até a frente
de sedimentação (que aumenta com o tempo de centrifugação); r-1 = distância do centro do rotor até o menisco
(constante)) em função do tempo de centrifugação. A velocidade de sedimentação também foi calculada e
apresentada em função da quantidade de argila
Fonte: (Berger, Singh et al., 2010)
53
Pode ser observado, através dos trabalhos citados acima, que a proporção entre os
reagentes no meio reacional influencia diretamente na estabilidade da partícula, demonstrando
a importância desse parâmetro nas propriedades finais do produto. Outro fator a ser notado é
que esses autores não conduziram a investigação da estabilidade acima da LCST do
componente termossensitivo (LCST = 32 °C). Essa avaliação é de grande relevância para uma
melhor compreensão do efeito da composição reacional no comportamento das partículas
sensíveis à temperatura.
Nesse sentido, Glampedaki e colaboradores (2012) prepararam microgéis a partir de
NIPAM, AA e MBA, denominados M, através da polimerização em emulsão sem surfactante.
Depois, fizeram uma mistura entre uma solução de quitosana e uma suspensão contendo os
microgéis M, obtendo complexos polieletrolíticos, denominados CM, e compararam o efeito
da adição do polissacarídeo nas propriedades dos materiais. Eles avaliaram a estabilidade dos
materiais a diversas temperaturas e pHs, com o auxílio da centrifugação analítica. A partir dos
resultados de estabilidade, foi demonstrado que o complexo eletrolítico (que contém
quitosana fisicamente inserida nos géis de PNIPAM-co-PAA) foi mais sensitivo ao pH e à
temperatura do que PNIPAM-co-PAA e quitosana, em separado. Entretanto, como as cadeias
de quitosana ligaram-se às partículas reticuladas de PNIPAM-co-PAA por interações
eletrostáticas, houve a precipitação da quitosana quando o pH foi muito alto e os grupos
amino da quitosana estavam na forma não carregada (Glampedaki, Petzold et al., 2012) .
A seção 5 desse trabalho, intitulada “apêndice”, trata-se do artigo aceito para
publicação na revista Journal of Applied Polymer Science e que já se encontra disponível na
versão online. Consequentemente, a parte experimental, os resultados, a discussão e a
conclusão do trabalho encontram-se descritos no artigo, bem como o abstract descrito acima e
um pequeno resumo da revisão bibliográfica realizada.
54
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73
5 APÊNDICE
Temperature and pH Effects on the Stability and Rheological Behavior of the Aqueous
Suspensions of Smart Polymers Based on N-Isopropylacrylamide, Chitosan, and Acrylic
Acid
Nívia do Nascimento Marques,1 Priscila Schroeder Curti,
1,2 Ana Maria da Silva Maia,
1
Rosangela de Carvalho Balaban1
1Institute of Chemistry, Federal University of Rio Grande do Norte, Natal/RN, Brazil
2Chemistry Department, Federal University of Ouro Preto, Ouro Preto/MG, Brazil
Correspondence to: R. C. Balaban (E-mail: [email protected])
ABSTRACT: This study describes the stability and rheological behavior of suspensions of
poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), poly(N-isopropylacrylamide)-chitosan (PNIPAM-
CS), and poly(N-isopropylacrylamide)-chitosan-poly(acrylic acid) (PNIPAM-CS-PAA)
crosslinked particles sensitive to pH and temperature. These dual-sensitive materials were
simply obtained by one-pot method, via free-radical precipitation copolymerization with
potassium persulfate, using N,N’-methylenebisacrylamide as a crosslinking agent.
Incorporation of the precursor materials into the chemical networks was confirmed by
elementary analysis and infrared spectroscopy. The influence of external stimuli such as pH
and temperature, or both, on particle behavior was investigated through rheological
measurements, visual stability tests, and analytical centrifugation. The PNIPAM-CS particles
showed higher stability in acid and neutral media, whereas PNIPAM-CS-PAA particles were
more stable in neutral and alkaline media, both below and above the lower critical solution
temperature of PNIPAM (stability data). This is due to different interparticle interactions as
well as those between the particles and the medium (also evidenced by rheological data),
which were also influenced by the pH and temperature of the medium. Based on the results
obtained, we found that the introduction of pH-sensitive polymers to crosslinked PNIPAM
particles not only produced dual-sensitive materials but also allowed particle stability to be
adjusted, making phase separation faster or slower, depending on the desired application.
Thus, it is possible to adapt the material to different media. © 2012 Wiley Periodicals, Inc. J.
Appl. CPolym. Sci. 000: 000-000, 2012
74
KEYWORDS: radical polymerization; rheology; stimuli-sensitive polymers; structure–
property relations
Received 18 June 2012; accepted 19 October 2012; published online
DOI: 10.1002/app.38750
INTRODUCTION
The development of stimuli-responsive polymer particles has gained considerable
notoriety in recent years,1–4
due to their capacity to abruptly alter their structure/properties in
response to slight changes in the surrounding environment, such as variations in pH,1–6
temperature,7–11
ionic strength,12–15
and magnetic and/or electrical fields.16–18
Temperature-
and pH-sensitive polymer particles, in particular, have been widely investigated in light of
their considerable importance in typical physiological and chemical systems.19–21
The most
extensively studied smart particles are those based on the thermosensitive poly(N-
isopropylacrylamide) (PNIPAM).22
Several studies exploit the hydrophobicity of PNIPAM
above its lower critical solution temperature (LCST) of approximately 32 °C in water, to
encapsulate poorly soluble drugs.23
When chemically crosslinked, these particles are not
strictly soluble, even below LCST, but rather form colloidal dispersions.24
Chitosan (CS) and poly(acrylic acid) (PAA) are commonly pH-responsive polymers
applied to modify PNIPAM particles8,25–32
and produce dual-sensitive materials. PAA
becomes negatively charged when the pH of the solvent is above its pKa (approximately 4)
due to the ionization of its COOH groups. CS contains -NH2 groups and becomes positively
charged in acid medium (pKa around 6).33
In addition, CS is a biofriendly material, which is
important in a number of applications from biomedical to technological.34
Suspensions of
particles composed of these dual-sensitive polymers have proved useful in several areas,
including the removal of contaminants from water, surface functionalization, and controlled
release processes. 32,33,35–43
Recently, novel dual-stimuli responsive copolymers, which are responsive to pH and
temperature and referred to as schizophrenic copolymers, were prepared through
copolymerization of N-isopropylacrylamide (NIPAM) and acrylic acid (AA) on CS chains,
using an initiating system of tert-butyl hydroperoxide/amino group (from CS). In dilute
aqueous media, two types of reversible nanoparticles were obtained by changing pH:
positively charged micelles with CS-shell in acidic solutions above 33°C and negatively
75
charged micelles with PNIPAM-co-PAA shell in alkaline solutions.44 Particles with a
PNIPAM-co-PAA core and a CS shell structure have also recently been produced.35,36,45
However, the synthesis process consisted of two stages: first, PNIPAM-co-PAA was
produced, crosslinked with N,N’-methylenebisacrylamide (MBA)45
or without adding the
crosslinking agent;35,36
next, the CS shell was formed by a catalyzed conjugation reaction.
Particle preparation in only one-pot, where all reagents are placed in a single reaction
system, simplifies the synthesis process. This can be accomplished via simple radical
initiation, in which reactive groups of CS actively participate in copolymerization by
hydrogen abstraction of amine or hydroxyl groups, for example.46–48
Furthermore, PNIPAM-
CS particles exhibiting homogeneous morphology (obtained using persulfate as an initiator)
have a higher swelling capacity and greater volume variation than those with the same
composition displaying core-shell morphology.49,50
Likewise, homogeneous distribution of
CS in the particles would be ideal for biomedical applications, where degradation of the
material is essential.
Many works have used the study of parameters, such as size, morphology, degree of
swelling, loading and delivery ability of substances to characterize their smart particles.49–58
However, the literature still requires more detailed information about how modifications to
crosslinked PNIPAM particles alter the speed and intensity with which these materials
respond to environmental changes. As such, the knowledge of the physical–chemical stability
of these polymer suspension systems is a key parameter to their application. For example,
during storage time, aggregation of particles in the aqueous media and subsequent formation
of precipitates may occur, which can limit the industrial applicability of these
formulations.26,59
Suspension stability is governed by a balance of interactions that occur
among particles themselves and between the particles and the medium.22,60
Long-term
stability studies are carried out to provide this information but can take a significant amount
of time, and accelerated testing can be undertaken while screening components. For
suspensions and emulsions, these accelerated stability tests can be accomplished through
storage at adverse temperatures, centrifugation, or rheological assessment.61
Analytical centrifugation is a recently introduced method for investigating the
sedimentation stability of several types of materials under accelerated conditions.62,63
These
include bentonite/xanthan gum mixtures,63
Interpenetrating Polymer Network (IPN) nanogels
composed of PAA and gelatin,64
carbon nanotube materials,65
hexosomes,66
oil/water
emulsions and particulate suspensions,67
preformed polyelectrolyte complex particles and
76
polyelectrolyte complexes in silica dispersions.68
However, very little has been reported in the
literature regarding the stability behavior of smart particles.69–71
To date, only one study has
described the stability behavior above LCST of particles containing PNIPAM, PAA, and
CS.33
However, in this case, as CS chains were connected to the PNIPAM-co-PAA networks
only through ionic interactions (polyelectrolyte complexes), PNIPAM-co-PAA particles
remained in suspension at high pH, and the CS chains moved out of the network, because this
polysaccharide has no longer -NH3+ groups to interact with the -COO
- groups from PAA.
Due to the lack of more detailed information regarding stability of these kind of
chemically crosslinked particles in the literature, this study aimed to investigate how
modifying crosslinked PNIPAM particles by copolymerization of NIPAM with pH-sensitive
polymers of opposite charges affects the stability and thermosensitivity of PNIPAM particles
in suspension, as well as the reversibility of the transition using heating and freezing cycles.
We sought to examine PNIPAM, PNIPAM-CS, and PNIPAM-CSPAA crosslinked particles,
obtained by one-pot free-radical polymerization, observing how their properties vary as a
function of pH and temperature. To that end, the particles were analyzed using accelerated
stability and rheological measurements.
EXPERIMENTAL
Materials
Low-molecular weight CS was purchased from Polymar S.A. (Brazil). Its viscosity-
average molecular weight was 3.7 x 104 g/mol, estimated at 25 °C in 0.3 M acetic acid/0.2 M
sodium acetate. Degree of deacetylation (82%) was determined by 1H NMR, according to
procedures described in the literature.72
NIPAM and MBA were purchased from Sigma-
Aldrich (Brazil), potassium persulfate (KPS) was obtained from Vetec (Brazil), and AA was
kindly supplied by Oswaldo Cruz Química (Brazil). NaOH, KCl, NaCl, KH2PO4, and
Na2HPO4 were purchased from Synth (Brazil). Acetic acid (HAc) was obtained from
Cromoline (Brazil). NIPAM was purified twice by recrystallization in hexane,73
and the other
reagents were used as received.
Precipitation Polymerization
Particles containing different amounts of CS, NIPAM, AA, and MBA were simply
prepared in one pot by free-radical precipitation polymerization,49
under the conditions listed
77
in Table I. The system consisted of a 250-mL three-necked flask coupled to a reflux
condenser, thermometer, and N2(g) inlet and outlet, in oil bath. Polymerization was carried out
at 50 °C, using acetic acid (0.5 M) as a solvent and KPS as an initiator, under constant
magnetic stirring. The acetic acid promotes the ionization of the amino groups from CS to
form the -NH3+ groups, so the CS can be easily dissolved in the media. Therefore, in this
reaction system, CS, NIPAM, AA, MBA, and KPS are soluble in the solvent. As a result, the
reaction mixture was initially homogeneous but became heterogeneous when the initiator was
added. This was evident from the color change (viscous milky aspect) and led to the
production of precipitate. After 3 h of polymerization, the system was opened to allow oxygen
to enter, and the mixture was filtered to separate unreacted CS. To remove the remaining
monomers and initiator, the product was washed with hot distilled water several times and
then dried in a vacuum oven at 40 ºC.
Table I. Particle abbreviations and feed reactant concentrations
Particle code Reactant concentration mmol.L-1
NIPAM CSa AA MBA KPS
PNIPAM 200 - - 5 10
PNIPAM-CS 200 50 - 5 10
PNIPAM-CS-PAA 200 50 100 5 10
ammol of sugar unit
Infrared Spectroscopy
Infrared spectra were obtained in KBr pellets and scanned from 400 to 4000 cm-1
using a ThermoNicolet model Nexus 470 FTIR Spectrometer.
Elementary Analysis
Elementary analysis (EA) was performed using a Perkin Elmer CHNS/O 2400 Series
II elemental analyzer, with a combustion column temperature of 925 °C and separation
column temperature of 640 °C. The sample (about 2.7 mg) was wrapped in tin foil and
examined in synthetic air using oxygen as a combustion gas and helium as a carrier gas.
Aqueous Suspensions Characterization
78
Polymer suspensions were prepared at a concentration of 2% (w/v), in different
aqueous media: (i) 0.5 M acetic acid (pH 3), (ii) phosphate buffered saline (PBS) (pH 7), and
(iii) PBS containing 0.25% NaOH (pH 10). Suspensions were submitted to constant stirring
for 24 h at room temperature and subsequently used in all suspension analyses.
Visual Stability
The previously prepared suspensions were placed in test tubes to rest, and the time
dependence of sedimentation for suspensions was visually monitored and photographed with
an Olympus C170 digital camera.
Optical Centrifugation
To evaluate the stability of stimuli-responsive materials, sedimentation measurements
of the polymer suspensions were performed with a stability analyzer LUMIFuge 116, at an
acceleration velocity of 2400 rpm and temperatures of 25 °C and 35 °C. This equipment is an
analytical centrifuge with an optic-electronic sensor system, which continuously measures
near infrared (NIR) transmission profiles along horizontally inserted sample tubes during
centrifugation. Thus, separation kinetics can be studied under accelerated conditions.63
Data
obtained were integrated by the computer program, and the resulting graph shows the
percentage of light transmittance, over the entire sample length, as a function of time.74
Local
variations in particle concentration are identifiable due to changes in light transmission.
Regions of well-mixed dispersions will scatter and absorb the light, making transmission low.
By contrast, any local clarification will raise the transmission.66
Rheological Measurements
Rheological properties of polymer suspensions were measured in a RheoStrees RS 150
rheometer from Haake, equipped with concentric cylinder geometry (DG41). The samples
were submitted to three consecutive runs, the first of which consisted of a 1–100 s-1
forward
sweep and a return sweep of 100–1 s -1
, at 25 °C. Next, the sensor containing the sample was
heated to 35 °C, and shear stress sweeps were repeated. The sensor was then cooled to 25 °C,
and a final back and forth sweep was performed. Temperature was controlled by a
thermostatic bath coupled to the equipment.
Zeta Potential Measurements
79
Aiming to investigate the occurrence of negative charges onto PNIPAM-CS surface in
alkaline media, the zeta potential measurement was obtained using Zetasizer Nanoseries
equipment (Malvern Instruments), at 25 °C.
RESULTS AND DISCUSSION
Infrared spectroscopy was used to detect functional groups of CS, PNIPAM, and PAA
in the particles. CS, PNIPAM-CS, and PNIPAM-CS-PAA spectra (Figure 1) displayed a
broad band around 3400 cm-1
, attributed to overlapped N-H and O-H group stretching
vibrations; peaks at approximately 1645 and 1535 cm-1
corresponding to absorptions of C=O
stretching (primary amide) and N-H bending, respectively; CH3 antisymmetric bending, CH2
scissoring, and C-N stretching of amide groups at about 1455 cm-1
, and C-N stretching of
amine groups between 1308 and 1380 cm-1
. In addition, bands of polysaccharide structures
are observed in the region between 890 and 1156 cm-1
.75
Both PNIPAM-CS and PNIPAM-
CS-PAA smart particles exhibited two peaks representing the symmetric bend (or umbrella
bend) of isopropyl groups of NIPAM, at 1365 and 1385 cm-1
(gem-dimethyl),76,77
suggesting
the incorporation of PNIPAM chains onto particles. Moreover, the introduction of PAA in
PNIPAM-CS-PAA was identified by the additional presence of a peak at approximately 1720
cm-1
[Figure 1(c)], corresponding to C=O axial stretching of carboxylic acids.78
Figure 1. FT-IR spectra of (a) chitosan; (b) PNIPAM-CS and (c) PNIPAM-CS-PAA.
80
EA data indicated that precursors were incorporated into the particles obtained during
experimental part (Table II). Theoretical compositions, acquired from the amount of reactants
in the feed, are close to experimental ones for all syntheses.
TABLE II. Molar percentages of C, H and N atoms, calculated based on the amount of reactants in the feed and
elementary analysis results
Particle code
C (%) H (%) N (%)
Calcul.a Exper.
b Calcul. Exper. Calcul. Exper.
PNIPAM 63.4 56.6 9.6 9.9 12.5 11.3
PNIPAM-CS 59.7 55.4 9.1 10.0 11.8 11.5
PNIPAM-CS-PAA 57.0 55.3 8.1 9.2 8.5 9.5
aCalcul. = calculated values
bExper. = experimental values
Investigating the dispersed state of suspensions is fundamental for application in
diverse fields such as nanomaterials, coatings, ceramics, cosmetics, water treatment, and
controlled release processes, among others.70,71,79–83
To evaluate the effect of pH on particle
stability, suspensions were prepared at pH 3, 7, and 10. These were allowed to rest and
photographed at four time intervals. The images in Figure 2 show the visual aspects of
suspensions obtained from PNIPAM, PNIPAM-CS, and PNIPAMCS-PAA particles as a
function of the type of solvent used, at room temperature. In all cases, suspensions were
formed owing to the reticulation of polymer chains with MBA during the synthesis process.
Immediately after the preparation, PNIPAM particle suspensions were less opaque, whereas
PNIPAM-CS and PNIPAM-CS-PAA particle suspensions exhibited more opacity in acid,
neutral, and alkaline media. Although PNIPAM particle suspensions are less opaque than
those obtained with the other particles, suggesting greater interaction with the medium, at 30
min sedimentation occurred at pH 10. After 1 day, PNIPAM showed sedimentation in the
three media, and following 96 h of rest, particles further sediment in all media.
Interestingly, although CS chain solubility is restricted only to acid media, PNIPAM-
CS particles maintained stability in all pH range (3–10) for 24 h of rest. This result indicates
that CS chemically linked into PNIPAM networks created modified particles with improved
81
PNIPAM PNIPAM-CS PNIPAM-CS-PAA
I
(a) (b) (c) (a) (b) (c) (a) (b) (c)
Ii
(a) (b) (c) (a) (b) (c) (a) (b) (c)
Iii
(a) (b) (c) (a) (b) (c) (a) (b) (c)
Iv
(a) (b) (c) (a) (b) (c) (a) (b) (c)
Figure 2. Images of suspensions obtained from PNIPAM, PNIPAM-CS and PNIPAM-CS-PAA particles in: (a)
pH=3; (b) pH=7 and (c) pH=10, (i) immediately after preparation (stirring for 24 hours) and following (ii) 30
minutes, (iii) 24 hours and (iv) 96 hours of rest.
82
stability in acid, neutral, and alkaline aqueous solution, during this time, when compared to
precursor materials. PNIPAM-CS instability increases along with pH. After 96 h of rest, these
particles exhibit a concentration gradient at pH 7 and clear phase separation in alkaline
medium.
Conversely, suspensions prepared from PNIPAM-CS-PAA particles showed
contrasting behavior, with visible stability improvement as pH increases. Particles visibly
sediment only after 30 min of rest, in acid medium, likely because the AA pKa value (around
4.25) is above the pH of the medium. As such, AA groups are mostly unionized at this pH,
which facilitates contraction of crosslinked particles and consequently, their sedimentation.
Additionally, as previously mentioned in the literature,84–86
PAA-g-PNIPAM graft
copolymers are insoluble at room temperature for pH values lower than 4, as hydrogen bond
interactions occur among PNIPAM and PAA chains at low pH.
However, at pH 7 and 10 the suspension showed stability, with the alkaline medium
slightly less opaque when compared to the suspension in neutral medium. These results
indicate that PAA was incorporated into polymeric networks during the reaction. After 96 h of
rest, stability of PNIPAM-CS-PAA was still better than PNIPAM-CS in neutral and alkaline
aqueous media, suggesting that AA enhanced particle stability behavior at higher pH values.
Electrostatic repulsion among negative charges of carboxylate groups promoted greater
swelling behavior, preventing sedimentation.
Accelerated stability tests confirmed the observations that PNIPAM and PNIPAM-CS
particles are more stable in acid and neutral media and less so in basic medium, and that
PNIPAM-CS-PAA particles exhibit greater stability in neutral and alkaline media and lower
stability in acid medium, as per Figure 3. Particles’ stability at temperatures below and above
the LCST of PNIPAM was analyzed in a centrifuge equipped with an optical transmittance
meter in the NIR region, showing far lower absorbance than in the IR region. This lower
absorbance allows NIR incident radiation to penetrate even opaque samples, such as
suspensions.87
During testing, cells containing the samples were placed horizontally and
positioned radially in relation to the rotor axis. Transmittance along the length of the cells was
measured as a function of time. Upon centrifugation, the suspended material moves to the
bottom of the cell, indicating which suspensions sediment more rapidly, showing greater
instability. Test results were obtained using a LUMiFuge 116 separation analyzer, in acid,
neutral, and basic media, below and above the LCST of PNIPAM. The sedimentation process
83
was followed by a change in optical transmittance with centrifugation time, at a constant
rotation speed. This allows a greater understanding of the behavior of these particles in
different media.
Stability behavior of PNIPAM particle suspensions was evaluated below and above
their LCST, at various pHs [Figure 3(a,b)]. Curve inclination in the first 200 s, shown in
Figure 3(a), indicates that PNIPAM particle stability decreases when pH increases, at 25 °C.
The introduction of CS onto the networks in PNIPAM-CS particles slightly increases the
sedimentation rate in alkaline medium and increases stability in acid and neutral media below
LCST [Figure 3(c)], when compared to PNIPAM particles.
Figure 3. Dependence of transmittance on centrifugation time for: PNIPAM (a and b), PNIPAM-CS (c and d),
and PNIPAM-CS-PAA (e and f). Left columns at 25 °C (a, c and e) and right columns at 35 °C (b, d and f).
84
Figure 3(b,d) show the results of particle activation by increasing the environmental
temperature. As the equipment took around 40 s to reach the desired temperature (35 °C),
initial measurements reflect the phase transition of PNIPAM, with reduced transmittance due
to greater turbidity of the medium. This is followed by particle precipitation, which is
significantly faster for PNIPAM particles than at ambient temperature, as demonstrated by the
greater inclination of the straight lines in Figure 3(b). Although PNIPAM-CS particles
sediment more rapidly with heating at pH 3 and pH 7, the speed with which this occurs is
slower than that of pure PNIPAM particles. At pH 10, sedimentation of PNIPAM-CS
particles above the LCST is slower than at ambient temperature. Furthermore, PNIPAM-CS
particles are more stable than PNIPAM particles at this pH, above the LCST. These results
demonstrate that the presence of CS chains in PNIPAM-CS particles increases their stability,
as previously shown in Figure 2. The presence of rigid polysaccharide chains probably
hinders full particle contraction above the LCST in all pH ranges evaluated, lowering their
sedimentation. As expected, introducing PAA into PNIPAM-CS-PAA particles increases their
stability in alkaline and neutral media and decreases it in acid medium, both above and below
the LCST of PNIPAM. The decline in stability with the introduction of PAA to particles may
be related to greater contraction in acid pH. This leads to the formation of denser particles,
due to hydrogen bonds between hydrophilic groups of PNIPAM and PAA, as visually
observed [Figure 2(a)]. As pH increases, the number of negative charges in the particles
increases as they expand. This expansion allows greater penetration of the solvent, bringing
particle density closer to that of the medium. Furthermore, the higher number of charges of
the same signal with increased pH prevents particle approximation, hindering clustering,
which also contributes to greater stability.
In general, we found that CS helped to control the contraction process of PNIPAM-CS
and PNIPAM-CS-PAA particles above the LCST at all pHs. Particularly at high pH values,
where the amino groups of CS are no longer protonated, the CS chains chemically bonded to
the polymer network remained in the particles, and the rigidity of the polysaccharide chain
contributes to the stability of the material [Figure 3(d,f)]. In contrast to findings reported in
the literature, when CS chains interact only physically with PNIPAM-co-PAA particles,33
precipitation of the excess CS occurs at high pH, clearing the suspension (CS is only soluble
and protonated in acid media). This compromises properties such as biocompatibility,
biodegradability, and low toxicity, affecting application in biomedical fields.
85
The rheology of smart polymers in aqueous media is another relevant aspect for
investigation,30,88,89
as it can help to elucidate association processes,90
particularly their
performance in response to shear rate applied at different pH and temperatures. When swollen
smart particles are submitted to an environment above the LCST of PNIPAM, the particles
shrink, owing to the disruption of hydrogen bonding with water molecules and the formation
of hydrophobic associations among isopropyl moieties.91–93
The formation of compacted
particles can cause resistance to flow, increasing viscosity at low shear rates. When the shear
rate applied is sufficiently high, associations between collapsed particles can be destroyed,
resulting in shear thinning behavior.94–97
However, as LCST depends on hydrogen bonding
ability among hydrophilic segments of the polymer and water molecules, the phase transition
is affected by the addition of hydrophilic comonomers such as acrylic acid, and also by
different pH environments.98,99
Moreover, reversibility can be observed by applying heating
and cooling cycles.
Figure 4 shows the apparent viscosity of suspensions prepared from PNIPAM particles
at different pH values. All curves demonstrated pseudoplastic behavior at 25 °C, lowering
viscosity as shear rate increased. This may be attributed to the rearrangement of deformable
particles under shearing, yielding a system with a lower degree of interparticle interaction.
Above the LCST, PNIPAM precipitated from all aqueous media, with phase separation.
Figure 4. Apparent viscosity as a function of shear rate for suspensions prepared from PNIPAM particles in
different solvents, at 25 °C.
Analysis of PNIPAM-CS particle suspensions by rheology showed slightly lower
viscosity than that of PNIPAM particles in acid medium, a significant increase in viscosity in
neutral medium and a small increase in alkaline medium [Figure 5(a)]. Lower viscosity at pH
86
3 may be attributed to the formation of positive charges on the surface of the particle,
hampering their approximation. Crosslinked PNIPAM-CS particles, obtained by
polymerization with persulfate, exhibit a positive surface charge when the ratio between CS
and PNIPAM is 3 : 10 (w/w),49
the same ratio applied in this study. The presence of surface
charges prevents approximation between particles and stabilizes the suspension 61
[Figure
6(a)]. This results in slower sedimentation and lower viscosity in the system, which
corroborates with the results observed in visual stability, accelerated stability and rheology
testing.
Figure 5. Apparent viscosity as a function of shear rate for suspensions prepared from: (a) PNIPAM-CS and (b)
PNIPAM-CS-PAA, in different solvents, at 25 °C.
In neutral medium, the amino groups are no longer protonated, enabling the formation
of loose clusters [Figure 6(b)]. These exhibit high hydrodynamic volume and are responsible
87
for the elevated viscosity of the system at low shear rates. The increase in shear rate causes
these structures to break, reducing the viscosity of the system, as shown in Figure 5(a). When
pH rises to 10, the tendency to form clusters declines. The lower interparticle interaction may
be attributed to the appearance of negative charges on particle surfaces, perhaps due to the
ionization of some hydroxyl groups of CS [Figure 6(c)]. These charges reduce the number of
interparticle interactions, lowering the viscosity of the medium. Zeta potential measurements
confirmed the occurrence of negative charges onto PNIPAM-CS surface in alkaline media (–
9.85 mV).
Figure 6. Illustration of the PNIPAM-CS particle in: (a) pH 3, (b) pH 7 and (c) pH 10, at 25 °C.
The introduction of PAA caused a significant change in particle behavior. Since the
pKa of PAA is approximately 4, PNIPAM CS-PAA particles contract at pH 3 and their
contribution to the viscosity of the suspension is small, as per the insert in Figure 5(b). These
particles precipitate without flocculation, forming compact sediment (Figure 2, PNIPAM-CS-
PAA). Several charges appear at pH 7, caused by the ionization of COOH groups, which
stabilizes the material in the medium. Increasing the pH to 10 increases the degree of
88
ionization of carboxylate groups, causing repulsion between them and the expansion of the
threedimensional network. This increase in particle hydrodynamic volume justifies the rise in
viscosity of the suspension throughout the range of shear rate analyzed.
To examine the reversibility of particle contraction, particles were rheologically
analyzed using heating and cooling cycles (25–35 °C and 35–25 °C). At each temperature,
curves were produced for forward and return sweeps (i.e., of 1–100 s-1
followed by 100–1 s-1
),
to determine whether shearing caused irreversible changes in the structure of the suspensions.
Results indicate that viscosity on the return sweep was identical to that of the forward sweep
(data not shown).
At temperatures above the LCST of PNIPAM, PNIPAM-CS showed a rise in apparent
viscosity at low shear rates in all the aqueous media, followed by a decline in viscosity at
higher shear rates (Figure 7(b,d,f)]. This behavior was also observed for a carbon nanotube
suspension at the same concentration.94
The authors attributed the increase in the viscosity at
low shear rates to a jammed state. It is important to note that polymer particles shrink above
the LCST, hampering the flow. At higher shear rates, shear thinning behavior was observed,
likely because clusters are destroyed. When the system was once again cooled to 25�°C,
collapsed PNIPAM-CS particles, at pH 7 and 10, likely immediately recovered their original
shape, as evidenced by the reversible behavior shown in Figure 7(c,e). However, in acid
medium [Figure 7(a)], the particles appeared to need more time to acquire the same shape and
return to the same viscosity values, which occurred at higher shear rates, probably because
positive charges hinder particle approximation.
When PAA was introduced into the particles, PNIPAM-CS-PAA particles no longer
exhibited thermosensitivity in acid or basic media, as shown in Figure 8(a,b). In the alkaline
medium, carboxyl moieties are probably fully ionized and as such, pH effect predominates the
temperature effect, stabilizing the particles [Figure 8(b)], whereas in the acid medium chains
are already completely contracted, as indicated by the very low viscosity [Figure 8(a)]. The
PNIPAM-CS-PAA particles showed an LCST effect of PNIPAM only in PBS [Figure 8(d)].
However, when the particles containing PAA were cooled, they only returned to their original
form once submitted to shearing, as per Figure 8(c). These results corroborate those obtained
from sedimentation measurements, where introducing the pH-sensitive component into
particles made them less thermosensitive. Indeed, AA is the most commonly used comonomer
to produce pH and thermosensitive polymers. However, it restricts the resulting
89
thermosensitivity to a limited pH range as, at high pH, carboxylic groups are ionized and the
polymer becomes more hydrophilic, thereby decreasing its thermosensitivity.19
Figure 7. Apparent viscosity as a function of shear rate for PNIPAM-CS suspensions in (a) and (b) pH 3; (c) and
(d) pH 7 and (e) and (f) pH 10. measurements before heating; + measurements with heating; - measurements
after heating.
A further relevant feature of PNIPAM-CS and PNIPAM-CSPAA particles is that the
amount of PAA in PNIPAM-CS-PAA is much greater than the one of CS in PNIPAM-CS. As
a result, probably the great quantity of the hydrophilic component made the PNIPAM-CS-
PAA particles to lose their thermosensitivity in high and low pH values, whereas the amount
of CS in the PNIPAM-CS particles possibly was not enough to affect their peculiar
performance at high temperatures.
90
Figure 8. Apparent viscosity as a function of shear rate for PNIPAM-CS-PAA suspensions in (a) pH 3; (b) pH
10 and (c) and (d) pH 7. measurements before heating; + measurements with heating; - measurements after
heating.
CONCLUSIONS
The results obtained demonstrate that by introducing pH-sensitive polymers to crosslinked
PNIPAM particles, it is not only possible to produce dual-sensitive materials but also to adjust
the stability of these particles, quickening or slowing their phase separation, depending on the
desired application. Thus, it is possible to adjust the material to different media. CS helped to
control the contraction process of PNIPAM-CS and PNIPAM-CS-PAA particles above the
LCST at all pHs. Particularly at high pH values, where the amino groups of CS are no longer
protonated, the CS chains chemically bonded to the polymer network remained in the
particles, and the rigidity of the polysaccharide chain contributes to the stability of the
material. The PNIPAM-CS particles showed higher stability in acid and neutral media,
whereas PNIPAM-CS-PAA particles were more stable in neutral and alkaline media, both
below and above the LCST of PNIPAM. Another relevant aspect is that the amount of PAA
in PNIPAM-CS-PAA is much greater than the one of CS in PNIPAM-CS. Then, the great
amount of the hydrophilic component possibly made the PNIPAM-CS-PAA particles to lose
their thermosensitivity in acid and alkaline media, whereas the amount of CS in the PNIPAM-
91
CS particles was not enough to affect their response to change in the environmental
temperature.
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors are grateful to CAPES, a Brazilian Government entity targeting the training of
human resources, for their financial support, to the NEPEG/UFRN for elementary analysis,
and the Laboratory of Membranes and Colloids/UFRN for the FTIR analysis. We would also
like to thank Precilabo for kindly providing the LUMiFuge equipment.
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