Influência da preparação in situ de maghemita em hidrogéis à base de alginato

ISBN 978-85-85905-10-1

Área

Materiais

Autores

Bittencourt, R.F. (UERJ) ; Ferreira, I.L.M. (UERJ) ; Sousa Junior, C.S. (IFRJ) ; da Costa, G.M. (UFOP) ; Silva, M.R. (UNIFEI)

Resumo

A preparação de hidrogéis nanomagnéticos à base de alginato foi realizada em uma sequência de procedimentos de modo que ocorresse a síntese in situ de maghemita (γ-Fe2O3). As amostras foram caracterizadas por microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia Mössbauer e magnetometria de amostra vibrante (VSM). Foi determinado o grau de intumescimento dos hidrogéis em água. Observou-se que as amostras de hidrogel nanomagnético alcançaram um grau de intumescimento médio de 41% em 1 hora, além de apresentarem boa resistência térmica, morfologia esférica e magnetização de saturação (Ms) igual a 9,87 emu/g.

Palavras chaves

hidrogéis nanomagnéticos; alginato; síntese in situ de Fe2O3

Introdução

Os hidrogéis são redes poliméricas tridimensionais que podem absorver grandes quantidades de água ou fluidos biológicos. Eles podem ser divididos em três classes, dependendo de sua natureza: redes emaranhadas, redes reticuladas covalentemente e redes formadas por interações secundárias. O uso de hidrogéis como biomaterial tem despertado grande interesse, principalmente devido a sua baixa toxicidade e elevada biocompatibilidade, que fazem deles extremamente úteis em muitas aplicações. Uma das vantagens dos hidrogéis está na sua sensibilidade a alguns parâmetros externos, tais como pH, temperatura, força iônica, composição do solvente e campos elétricos (KHURMA, 2008). Alginato é um copolímero linear formado por subunidades de ácido manurônico (M) e ácido gulurônico (G). É largamente encontrado em algas e em certas bactérias. Pode ser usado em diversos campos, como na indústria farmacêutica e na indústria alimentícia, em propósitos biomédicos como liberação de drogas, encapsulação de enzimas sensoriais e desenvolvimento de agente de contraste para diagnóstico de imagem. Alginatos também provaram ser excelentes materiais para purificação de água. Pesquisas têm demonstrado que esferas de géis de alginato de cálcio podem remover metais pesados de efluentes industriais (YU, 2013). As nanopartículas magnéticas são propositalmente incorporadas ao polissacarídeo para aumentar sua capacidade como biosorvente, além de ser muito útil no isolamento ou processo de recuperação dos hidrogéis (IDRIS, 2012). Este trabalho tem como objetivo a preparação de hidrogéis à base de alginato com nanopartículas de maghemita sintetizadas in situ e caracterizar as amostras para avaliar as propriedades térmicas e magnéticas, a morfologia e o grau de intumescimento em água.

Material e métodos

A síntese das nanopartículas de óxido de ferro foi realizada in situ (LLANES, 2000). Uma solução de alginato de sódio 2% m/v, previamente preparada, foi gotejada sobre solução aquosa de FeSO4 0,5 mol L-1. As esferas de alginato ferroso obtidas foram lavadas com solução aquosa de etanol 1:1 v/v e imersas em mistura contendo solução aquosa de etanol 1:1 v/v e solução aquosa de NaOH 0,5 mol L-1, sob agitação, por 30 minutos. Em seguida, a mistura foi aquecida a 65 ± 5°C e oxidada com solução de peróxido de hidrogênio 10% v/v, sob agitação, por 60 minutos. Após esse tempo, as esferas resultantes foram lavadas e adicionadas em solução aquosa de CaCl2 0,1 mol L-1, sob agitação, por um período de 24 h. Por fim, as esferas foram separadas, lavadas e colocadas em estufa a 40°C por 24 h, para secagem. As amostras foram caracterizadas por TGA, na qual 3 mg de amostra foram colocados em uma cápsula de platina, aquecida em atmosfera de nitrogênio com uma vazão de 100 mL.min-1, de 50 a 500°C a uma velocidade de 20°C. min-1. A morfologia das amostras foi analisada por MEV (FEI Quanta 400) operado em alto vácuo, com tensão de aceleração de elétrons de 20 kV e spot size de 5; e por MO de reflexão, onde as amostras foram colocadas em uma lâmina de vidro e submetidas à ação de um feixe luminoso para observação. As propriedades magnéticas foram analisadas por VSM, no qual 10 mg foram adicionados ao aparelho, o campo magnético aplicado variou de -12000 G a 12000 G e o tempo total de cada análise foi de 10 minutos, sendo os dados coletados a cada 1,5 segundos. Para analisar a constituição de óxido de ferro, foi realizado espectroscopia Mössbauer. Para avaliar a capacidade de intumescimento, foi utilizado 100 mg de amostra em um béquer contendo 50 mL de água deionizada, por 1 hora.

Resultado e discussão

Os hidrogéis apresentaram morfologia esférica (Figura 1a e 1b) e tendência de distribuição de tamanho uniforme, com partículas de ordem micrométricas na faixa de 710 a 850 µm e coloração marrom avermelhado, provocada pela possível formação de maghemita na estrutura do material polimérico. Por meio do mapa de composição de cálcio e ferro (Figura 1c e 1d) foi possível atestar que o material produzido apresentou boa distribuição desses elementos pelas microesferas, confirmando a ocorrência da reação de reticulação do alginato com os íons Ca2+ e a presença de ferro. Os resultados de TGA mostraram que o estágio principal de degradação do polímero, referente à etapa de despolimerização foi em torno de 260 a 290°C. O intumescimento das amostras foi analisado por um período de 1 hora e o grau de intumescimento médio das microesferas foi de 41%. As propriedades magnéticas das amostras foram determinadas por VSM. As microesferas apresentaram valores de Ms igual a 9,87 emu/g e magnetização remanescente próximo à zero, indicando comportamento superparamagnético. Além disso, a curva gerada não apresentou ciclo de histerese (Figura 2a), fenômeno que causa atraso entre a densidade de fluxo magnético e o campo magnético. Os gráficos obtidos por espectroscopia Mössbauer (Figura 2b) mostram a dominância de um dubleto central e um “sexteto” difuso. Este dubleto pode ser devido a varias fases de ferro com comportamento superparamagnético, como por exemplo, goethita, hematita e maghemita.

Figura 1 – Morfologia dos hidrogéis: MO (a), MEV (b), mapa de composição de ferro (c) e de cálcio (d)


Figura 2 – Curva de VSM (a) e espectro Mössbauer (b) do hidrogel nanomagnético

Conclusões

Foram preparados hidrogéis à base de alginato contendo nanopartículas magnéticas em sua estrutura. Os resultados mostraram que se formou um material com boas resistências mecânica e térmica. Foram obtidos hidrogéis com propriedades superparamagnéticas, magnetização de saturação de 9,87 emu/g e alto grau de intumescimento.

Agradecimentos

Os autores agradecem à FAPERJ, pelo auxílio financeiro e ao CETEM, pelas análises no MEV.

Referências

IDRIS, A.; ISMAIL, N. S. M.; HASSAN, N.; MISRAN, E.; NGOMSIK, A. Synthesis of magnetic alginate beads based on maghemite nanoparticles for Pb(II) removal in aqueous solution. Journal of Industrial and Engeneering Chemistry, v. 18, p. 1582-1589, 2012.

KHURMA, J. R.; NAND, A. V. Temperature and pH sensitive hydrogels composed of chitosan and poly(ethylene glycol). Polymer Bulletin, v. 59, n. 6, p. 805-812, 2008.

LLANES, F.; RYAN, D. H.; MARCHESSAULT, R. H. Magnetic nanostructured composites using alginates of different M/G ratios as polymeric matrix. Int. J. Biol. Macromol.,v. 27, n. 1, p. 35-40, Mar. 2000.

YU, K.; HO, J.; MCCANDLISH, E.; BUCKLEY, B.; PATEL, R.; LI, Z.; SHAPLEY, N. C. Copper ion adsorption by chitosan nanoparticles and alginate microparticles for water purification applications. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 425, p. 31-41, 2013.