MEMBRANAS DE POLIURETANO E BIO-SÍLICA PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS

Vitoria de Godoy Saciloto[footnoteRef:1]; Drª Rachel Farvezani Magnago2 (orientadora) [1: Discente de Engenharia Química, Universidade do Sul de Santa Catarina; vitoria_saciloto@hotmail.com2 Docente das Engenharias e Programa de pós-graduação em Ciências Ambientais; rachel.magnago@unisul.br]

RESUMO

Com o objetivo de produzir novos materiais poliméricos para aplicações biomédicas, tais como curativos, implantes para tecidos, liberação de fármacos, entre outros, preparou-se bio-sílica por digestão básica das cinzas obtidas da queima de 12 composições de cascas de arroz, batata, laranja, bergamota e limão, para incorporação em membranas de poliuretano. Os compósitos de poliuretano/bio-sílica foram produzidos utilizando os reagentes PCLT (MM: 900g/mol), HDI, glicerol e bio-sílica (0%, 2,5% e 5,0% p/p). Estes foram avaliados quanto a capacidade de absorção de água, perda de massa em pH fisiológico e resistência mecânica. As cinzas de biomassa foram inferiores a 5%, a maior porcentagem de bio-sílica extraída foi de 73,21%, e em 5 das 6 composições, as amostras com as cinzas provenientes de plantação com agroquímicos, apresentou-se maior em comparação as sem agro-químicos. As membranas com 2,5% p/p de bio-sílica apresentaram boa qualidade visual, maior perda de massa e melhor resistência mecânica.

INTRODUÇÃO

A policaprolactona-triol (PCLT) é um poliéster alifático biodegradável, podendo ser encontrada com uma massa molecular de 300 g/mol e 900 g/mol, que possui três grupos hidroxila que se mostram oportunos para introdução de substratos com atividade biológica impondo um desafio ainda maior, pois os novos polímeros podem apresentar desempenho único para aplicações biomédicas. (PIVEC, 2017; ATHINARAYANAN, 2014). A PCLT em combinação com hexametileno diisocianato (HDI), gera a produção de novo poliuretano (PU), formando um filme que pode ser utilizado em curativos, implantes para tecidos, liberação de fármacos, entre outros. O dióxido de silício (SiO2), conhecido como sílica, é um dos óxidos mais abundantes na natureza, sua configuração amorfa tem sido utilizada em composições de scaffolds, filmes de polímeros e poliuretanos e para potencializar seu efeito e aumentar sua resistência (BAGHERI, 2018; MORAES, 2019), sabendo disso, buscou-se produzir membranas de policaprolactona-triol, diisocianato hexametileno, glicerol e bio-sílica em diferentes proporções para implantes biomédicos.

PALAVRAS-CHAVE: Policaprolactona-triol, bio-sílica, poliuretano, biomedicina.

MÉTODO

Foi realizada a queima a 700 °C por 3 horas de 12 composições de biomassa, produzidas a partir de 10g de casca de arroz, 100 mL de água e proporções diferentes de casca de arroz, batata, laranja, bergamota e limão, provenientes de plantação com e sem utilização de agro-químicos, através das cinzas obtidas da queima, extraiu-se a bio-sílica (Figura 1) (FERNANDES, 2017).

Figura 1. Fluxograma da obtenção de bio-sílica partir das cinzas de biomassa.

Foi calculado as porcentagens de cinzas na biomassa e bio-sílica presente nas cinzas. As membranas de poliuretano com bio-sílica foram produzidas em duplicata, partir de PCLT e HDI nas proporções de 1:2, a reação ficou em aquecimento a 50 °C por 48 h, o solvente utilizado foi THF e ao final das 48 h, adicionou-se 10% p/p de glicerol e variou-se a proporção de bio-sílica peneirada em 400 Mesh, em 0%, 2,5% e 5% p/p, a mistura ficou em agitação por 10 min e foi vertida em placa de petri. Após a evaporação completa do solvente, as amostras foram cortadas em retângulos 1x6 cm e foram realizados os ensaios em triplicata de resistência mecânica utilizando o equipamento EMIC do laboratório de engenharia civil da Unisul Pedra Branca (LEC), absorção de água e perda de massa segundo a ASTM D570-98, 2018.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

A extração da bio-sílica presente nas cinzas ocorre em duas etapas, representadas pela Equação 1 e 2.

Equação 1. Reação para obtenção de silicato de sódio.

SiO2 (cinzas) + 2NaOH (hidróxido de sódio) → Na2SiO3 (silicato de sódio) + H2O (água)

Equação 2. Reação para obtenção de bio-sílica a partir de silicato de sódio.

Na2SiO3 (silicato de sódio) + 2HCl (ácido clorídrico) → SiO2 (sílica) + 2NaCl (Cloreto de sódio) + H2O (água)

Na equação 1 foi adicionado NaOH em excesso para que ocorresse formação de silicato de sódio em todas as moléculas de óxido de silício das cinzas e na segunda etapa (equação 2), o HCl foi adicionado até pH 7 (neutro) (PATIL et al. 2018).

A bio-sílica obtida através das cinzas resultantes da queima a 700 °C das biomassas apresentam configuração amorfa. A sílica cristalina não apresenta reatividade, por este motivo, não é interessante para aplicações biomédicas e quanto maior a temperatura de queima, mais propriedades cristalinas são admitidas à sílica. É necessário sílica ativa (amorfa) para obter uma matriz mais resistente e apresentar melhor compatibilidade com o corpo humano. A queima abaixo de 700 °C não deve ser aditada pois pode apresentar carbono residual, sendo considerada impureza para utilização em implantes biomédicos, portanto a temperatura de 700 °C é considerada crítica para a queima de biomassa para extração de sílica (COSTA, PARANHOS, 2018; SUNDARI et al. 2018).

As porcentagem de cinzas e bio-sílica para as 6 composições, com e sem cultivo das matérias primas utilizando agro-químicos podem ser verificadas na Tabela 1.

Tabela 1. Porcentagem de cinzas de biomassas e de bio-sílica em cinzas de biomassa para as 6 composições, com e sem cultivo das matérias primas utilizando agro-químicos.

Amostras contendo 10 g de casca de arroz, 100 mL de água

Porcentagem de cinzas na biomassa

Porcentagem de xerogel de sílica nas cinzas

Produção com agro-químico

75g batata; 50g laranja

4,38

36,38

100g batata; 50g laranja

4,33

65,99

75g batata; 50g bergamota

4,12

73,21

100g batata; 50g bergamota

4,06

54,21

75g batata; 50g limão

4,38

36,56

100g batata; 50g limão

4,70

48,74

Produção sem agro-químico

75g batata; 50g laranja

3,91

56,81

100g batata; 50g laranja

4,33

32,31

75g batata; 50g bergamota

4,40

28,67

100g batata; 50g bergamota

4,08

24,99

75g batata; 50g limão

4,98

25,66

100g batata; 50g limão

4,31

22,02

A porcentagem de cinzas na biomassa não foram superiores a 5%, e a variação entre as amostras foi menor que 2%, a maior porcentagem de sílica foi de 73,21% e a menor de 22,02% e em 5 das 6 composições, a bio-sílica provenientes de biomassa com cultivo utilizando agro-químicos, apresentou-se maior em comparação as sem agro-químicos.

Figura 1. reagentes utilizados para fabricação das membranas de PU (A), reação de policondensação (B) e membrana de PCLT e HDI com 2,5% de sílica (C).

HDI

PCLT

PU

C

B

A

A Figura 2 apresenta os resultados da porcentagem de absorção de água, perda massa em pH fisiológico e a resistência mecânica máxima (MPa) para as membranas de poliuretano com bio-sílica incorporada em diferentes proporções.

Figura 2. Absorção de água, perda de massa e resistência mecânica para as membranas de PU sem bio-sílica, com 2,5% p/p e com 5,0% p/p.

A maior absorção de água foi para a composição com 5,0% p/p de bio-sílica, pois a sílica possui alta afinidade com a água porém apresentaram baixa homogeniedade. As membranas sem sílica apresentaram imperfeições (rachaduras), as quais causaram elevada absorção de água e resistência mecânica baixa, já as membranas com 2,5% p/p de bio-sílica apresentaram maior perda de massa, menor absorção de água e o dobro de resistência comparado as membranas sem sílica e o quaduplo quando comparada a composição com 5,0% p/p de biosílica.

CONCLUSÕES

A porcentagem de cinzas presentes na biomassa mostrou-se constante, variando menos de 2% entre as 12 amostras. A temperaturta de 700 °C utilizada para a queima da biomassa apresenta-se como fator determinante para a formação de bio-sílica sem carbono residual e com características amorfas. Em 5 das 6 composições, a bio-sílica provenientes de biomassa com cultivo utilizando agro-químicos, apresentou-se maior em comparação as sem agro-químicos. As membranas com 2,5% p/p de bio-sílica apresentaram menos imperfeições na superfície, maior perda de massa e melhor resistência mecânica.

REFERÊNCIAS

ATHINARAYANAN J., PERIASAMY V. S., ALHAZMI M., KHALID A. ALATIAH, ALSHATWI A. A. Synthesis of biogenic silica nanoparticles from rice husks for biomedical applications. Elsevier, 2014.

BAGHERI E., ANSARI L., ABNOUS K., TAGHDISI S. M., CHARBGOO F., RAMEZANI M., ALIBOLANDI M. Silica based hybrid materials for drug delivery and bioimaging. Corel, 2018.

COSTA, J. A. S.; PARANHOS, C. M. Systematic evaluation of amorphous silica production from rice husk ashes. Journal of Cleaner Production, 2018.

MORAES, J. C. B. New use of sugar cane straw ash in alkali-activated materials: A silica source for the preparation of the alkaline activator. Construction and Building Materials, 2019.

PATIL N. B., SHARANAGOUDA H., DODDAGOUDAR S. R., RAMACHANDRA C. T., RAMAPPA1 K.T. Biosynthesis and Characterization of Silica Nanoparticles from Rice (Oryza sativa L.) Husk. Int.J.Curr.Microbiol.App.Sci, 2018.

PIVEC T., SMOLE M. S. L., GAŠPARIČ P, KLEINSCHEK K. S. Polyurethanes for Medical Use. Tekstilec, Slovenia, 2017.

SUNDARI C. D. D., SETIADJI S., ROHMATULLAH Y., SANUSI S., NURBAETI D. F., NOVIANTI I. FARIDA I., NUROHMAH A. IVANSYAH A. L. Synthesis of zeolite L using rice husk ash silica for adsorption of methylene blue: kinetic and adsorption isotherm. MATEC Web of Conferences, 2018.

FERNANDES I. J., CALHEIRO D., SÁNCHEZ F. A. L., CAMACHO A. L. D., ROCHA .T. L. A. C., MORAES C. A. M., SOUSA V. C. Characterization of Silica Produced from Rice Husk Ash: Comparison of Purification and Processing Methods. Materials Research, 2017.

FOMENTO

O trabalho teve a concessão de Bolsa pelo Artigo 170 fornecida pelo Governo de Santa Catarina.

Absorção de água

Sem sílica 2,5% de sílica5,0% de sílica14.311.8614.98Perda de massa

Sem sílica 2,5% de sílica5,0% de sílica3.43.82.5299999999999998Resistência mecânica máxima Sem sílica 2,5% de sílica5,0% de sílica1.684.071.1000000000000001

Amostras

Porcentagem (%)

MPa

O

C

N

N

C

O

O

O

C

H

3

R

R

R

O

H

O

H

O

H

R

=

n

1,6- hexametileno diisocianato (HDI)

Policaprolactona triol (PCLT)

O

C

N

N

C

O

O

O

CH

3

R

R

ROH

OH

OH

R

=

n

1,6- hexametileno diisocianato (HDI)

Policaprolactona triol (PCLT)

O

C

N

N

C

O

O

O

C

H

3

R

R

R

O

H

O

H

O

H

R

=

n

1,6- hexametileno diisocianato (HDI)

Policaprolactona triol (PCLT)

O

C

N

N

C

O

O

O

CH

3

R

R

ROH

OH

OH

R

=

n

1,6- hexametileno diisocianato (HDI)

Policaprolactona triol (PCLT)