PROPRIEDADES TÉRMICAS DE NANOFIBRAS DE poli (ácido lático) CONTENDO COMPOSTO BIOATIVO

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Bioquímica e Biotecnologia

Autores

Severo Gonçalves, I. (FURG) ; Copello Veiga, M. (FURG) ; Araujo Aquino, S. (FURG) ; Vieira Costa, J.A. (FURG) ; Greque Morais, M. (FURG)

Resumo

Nanofibras poliméricas apresentam potencial aplicação por apresentar elevada área superficial em relação ao volume e podem atuar como suporte para compostos bioativos. A produção de nanofibras por electrospinning consiste na aplicação de campo eletrostático sobre a solução polimérica. A ficocianina é um biocomposto de cor azul e possui propriedades antioxidantes, anti-inflamatórias e antitumorais. O objetivo deste estudo foi avaliar as propriedades térmicas de nanofibras poliméricas contendo ficocianina obtidas pela técnica de electrospinning. Neste estudo observou-se que nanofibras obtidas por electrospinning proporcionaram estabilidade térmica ao biocomposto e podem ser utilizadas na proteção de compostos instáveis e de fácil degradação através da incorporação a matriz polimérica.

Palavras chaves

Electrospinning; Ficocianina; Proteção térmica

Introdução

A nanotecnologia é capaz de conferir novas propriedades aos materiais através da manipulação de sua estrutura desenvolvendo novos produtos e processos fundamentados na capacidade de manipular átomos e moléculas (DÚRAN, 2006). Nanofibras poliméricas são definidas como fibras sólidas que possuem seu diâmetro em nanoescala e apresentam características como grande área superficial em relação ao volume e flexibilidade (HUANG et al., 2003; PELIPENKO; KOCBEK; KRISTL, 2015). Uma característica favorável dos materiais poliméricos é sua aptidão para biofuncionalização. Nanofibras biofuncionais podem ser obtidas através de modificações na superfície e também pela incorporação de biomoléculas em sua estrutura durante o processo de produção. Biomoléculas incorporadas às nanofibras ficam protegidas do meio externo (adversidades externas), mas mantêm-se acessíveis para uso (BEACHLEY; WEN, 2010). Pesquisas pela obtenção de compostos naturais de fontes biológicas têm crescimento significativo na área médica, visto que micro-organismos possuem uma vasta gama de biocompostos, como a ficocianina (KUDDUS et al., 2013). A ficocianina é um pigmento natural encontrado em cianobactérias e algas vermelhas, caracterizada por sua coloração azul intensa e considerada nutracêutica por apresentar atividade antioxidante, anti-inflamatória, antiplaquetária, anticancerígena, neuroprotetora e nefroprotetora (FERNÁNDEZ-ROJAS; HERNÁNDEZ-JUÁREZ, 2014; ROMAY et al., 2003). A produção das nanofibras poliméricas pode ser realizada a partir da técnica de electrospinning por apresentar boa repetibilidade e controle das dimensões das fibras produzidas (RAMAKRISHNA et al., 2005). Esta técnica permite produzir nanofibras poliméricas contínuas (BHARDWAJ E KUNDU, 2010), encapsular e proteger compostos das condições ambientais como temperatura e luminosidade (RENEKER; YARIN, 2008). Diversos polímeros podem ser utilizados na produção de nanofibras pela técnica de electrospinning. O poli (ácido láctico) (PLA) é um biopolímero com propriedades semelhantes aos plásticos de origem petroquímica e podem ser utilizadas em diferentes áreas por ser biodegradável, biocompatível e atóxico. O PLA, é aprovado pela FDA (Food and Drug Adminstration) e utilizado para implementação no corpo humano por possuir compatibilidade à células e tecidos e apresenta potencial aplicação como scaffolds na área biomédica (ARMENTANO et al., 2013). Neste contexto, o objetivo deste estudo foi avaliar as propriedades térmicas de nanofibras poliméricas contendo ficocianina obtidas pela técnica de electrospinning.

Material e métodos

O material utilizado foi poli (ácido lático) (PLLA) e como biocomposto ficocianina. As soluções poliméricas foram preparadas utilizado 13% de PLLA sem e com adição de 0,5% de ficocianina. O solvente utilizado foi mistura de clorofórmio:acetona (1,5:1), para ambas soluções. As soluções foram homogeneizadas em agitador magnético por 12 h a temperatura ambiente. Nas soluções contendo ficocianina, esta foi solubilizada na fração de acetona enquanto o polímero em clorofórmio, permanecendo sob agitação por 12 h. As soluções foram misturadas 2 h antes do processo, totalizando 14 h de agitação. O desenvolvimento das nanofibras foi realizado pela técnica de electrospinning. Os parâmetros de processo foram taxa de alimentação de 1000 µ/L, tensão 20 kV, capilar 0,45 mm e distância entre capilar e coletor 150 mm. A morfologia das nanofibras produzidas pela técnica de electrospinning foi observada por microscopia eletrônica de varredura e para verificar a incorporação da ficocianina nas nanofibras realizou-se a determinação do perfil de emissão de fluorescência em microscópio confocal e contraste de fase. As propriedades térmicas das nanofibras sem e com adição do biocomposto foram determinadas por análise de calorimetria diferencial de varredura (DSC). Foram avaliadas temperatura de transição vítrea (Tg), temperatura do ponto de fusão (Tf) e entalpia de fusão (ΔHf) aquecendo a amostra a partir da temperatura ambiente até 200 °C, com taxa de aquecimento de 10 °C/min e fluxo de nitrogênio de 50 mL/min. Amostras de nanofibras (4 mg) foram colocadas em cápsulas de alumínio seladas. A medida da estabilidade térmica das nanofibras sem e com adição da ficocianina e do biocomposto foi realizada em analisador termogravimétrico (TGA). As amostras foram submetidas à variação de temperatura entre 25 a 500 °C, com taxa de aquecimento constante de 10 °C/min, sob atmosfera inerte de nitrogênio com fluxo 30 mL/min. As nanofibras (4 mg) foram colocadas em cápsulas de alumínio. A presença de solvente residual nas nanofibras foi determinada a partir das curvas de DSC e TGA. A análise estatística foi realizada utilizando nível de confiança de 95% para os diâmetros das nanofibras produzidas. Os resultados foram expressos pela média e avaliadas por análise de variância (ANOVA) e comparadas pelo teste de Tukey.

Resultado e discussão

A partir da análise de microscopia eletrônica de varredura foi possível observar a morfologia das nanofibras. As nanofibras de 13% de PLLA e com adição de 0,5% de ficocianina produzidas pela técnica de eletrospinning apresentaram diâmetro de 797±105 nm e 1130±176 nm, respectivamente. O diâmetro das nanofibras obtidas apresentou diferença estatística. Este fato pode ser explicado devido a adição de biocompostos a estrutura das nanofibras, produzindo fibras com maior diâmetro. Através das microscopias de florescência e contraste de fase foi possível confirmar a incorporação do biocomposto a matriz polimérica (Tabela 1). As curvas de DSC mostraram o comportamento das amostras de acordo com o aumento da temperatura sendo possível determinar a temperatura de transição vítrea (Tg), temperatura de fusão (Tf), entalpia de fusão (ΔHf). A incorporação de ficocianina pode ter facilitado à passagem do estado vítreo, mais ordenado, para o estado mais flexível e menos ordenado (LLORENS et al., 2013). Apesar disso, para as nanofibras contendo ficocianina a temperatura de transição vítrea foi 54,88 °C e as nanofibras sem o biocomposto foi 60,21 °C, o que possibilitaria o uso como scaffolds em engenharia de tecidos sem apresentar mudanças na sua conformação quando submetidos a condições de cultura. A variação na temperatura de fusão das nanofibras apenas de PLLA (168,68 ºC) e adicionadas de ficocianina (169,29 °C) foi pequena em relação ao polímero granular (170,05 °C). Porém a energia necessária para fundir os grânulos de PLLA (39,08 J/g) foi superior quando comparada a entalpia de fusão das nanofibras do polímero (36,13 J/g) este fato está relacionado com a redução da cristalinidade do polímero. A variação da entalpia foi maior para as nanofibras contendo o composto (33,72 J/g) sugerindo interferência da ficocianina na cristalização do PLLA. A Figura 1 apresenta a perda de massa através da curva de TGA das nanofibras sem e com adição do composto e somente da ficocianina. No termograma da ficocianina é possível observar uma perda de massa inicial que começa a partir da temperatura ambiente até próximo a 100 °C, relativo a liberação da umidade presente no composto. Este comportamento não foi observado para as nanofibras devido ao caráter hidrofóbico do PLLA. A decomposição térmica da ficocianina pura ocorreu entre 188 e 390 ºC, apresentando perda de massa total de 63%. Nas curvas termogravimétricas das nanofibras adicionadas de ficocianina não observa-se perda de massa próximo da temperatura de 188° C, iniciando a degradação destas somente na temperatura próxima de 300 °C. Desta forma observou-se que as nanofibras poliméricas conferiram proteção térmica à ficocianina.

Nanofibras de PLLA sem e com adição de ficocianina.


Análise termogravimétrica das nanofibras de PLLA sem e com adição de ficocianina e do biocomposto.

Conclusões

Utilizando 13% de PLLA e 0,5% de ficocianina obteve-se nanofibras de diâmetros de 1130±176 nm nas condições de processo 1000 µ/L como taxa de alimentação, tensão de 20 kV e diâmetro de capilar de 0,45 mm. Desta forma, a técnica de electrospinning proporciona a encapsulação de biomoléculas inseridas as matrizes de nanofibras e estas conferem proteção térmica ao biocompostos. Nanofibras adicionadas de compostos bioativos podem desempenhar papel importante na conservação de alimentos frente aos sistemas convencionais de embalagens e demostrar importante aplicabilidade como dispositivos tecnológicos no campo da biomedicina.

Agradecimentos

CAPES, CNPq, CEME-SUL e Universidade Federal do Rio Grande.

Referências

ARMENTANO, I. et al. Multifunctional nanostructured PLA materials for packaging and tissue engineering. Progress in Polymer Science, v. 38, n. 10-11, p. 1720–1747, 2013.
BEACHLEY, V.; WEN, X. Polymer nanofibrous structures: Fabrication, biofunctionalization, and cell interactions. Progress in Polymer Science, v. 35, n. 7, p. 868–892, 2010.
BHARDWAJ, N.; KUNDU, S. C. Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique. Biotechnology Advances, v. 28, p. 325–347, 2010.
DÚRAN, N.; MATTOSO, L. H. C.; MORAIS, P. C. DE. Nanotecnologia introdução, preparação e caracterização de nanomateriais e exemplos de aplicação. São Paulo: Artliber, 2006.
FERNÁNDEZ-ROJAS, B.; HERNÁNDEZ-JUÁREZ, J. Nutraceutical properties of phycocyanin. Journal of Functional Foods, v. 11, p. 375–392, 2014.
HUANG, Z. et al. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Composites Science and Technology, v. 63, p. 2223–2253, 2003.
KUDDUS, M. et al. Recent Developments in Production and Biotechnological Applications of C-Phycocyanin. BioMed Research International, v. 2013, 2013.
LLORENS, E. et al. Polylactide nanofibers loaded with vitamin B6 and polyphenols as bioactive platform for tissue engineering. Macromolecular Research, v. 21, n. 7, p. 775–787, 2013.
PELIPENKO, J.; KOCBEK, P.; KRISTL, J. Critical attributes of nanofibers: Preparation, drug loading, and tissue regeneration. International Journal of Pharmaceutics, v. 484, n. 1-2, p. 57–74, 2015.
RAMAKRISHNA, S. et al. An introduction to Electrospinning and Nanofibers. Singapura: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2005.
RENEKER, D. H.; YARIN, A. L. Electrospinning jets and polymer nanofibers. Polymer, v. 49, n. 10, p. 2387–2425, 2008.
ROMAY, C. et al. C-Phycocyanin: A biliprotein with antioxidant, anti-inflammatory and neuroprotective effects. Current Protein and Peptide Science, v. 4, n. 3, p. 207–216, 2003.