Avaliação de sistemas bionanocompósitos a base de i-carrageenano:gelatina como dispositivos de liberação controlada de ciprofloxacino.

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Materiais

Autores

Leite, M.S. (UFMA) ; Sodré, W.C. (UFMA) ; de Alcântara, A.C.S. (UFMA)

Resumo

O presente trabalho tem como objetivo a obtenção de um sistema bionanocompósito a base do polissacarídeo (i-carrageenano) e proteína (gelatina) encapsulando híbridos de sólidos lamelares com o fármaco ciprofloxacino (CFX), obtidos por diferentes processos de síntese. A intercalação do CFX em ambos os sólidos foi comprovada mediante a análise de DRX, a partir do deslocamento da reflexão 001 e 003 associadas ao Mt e HDL de partida para menores valores de 2Ɵ. Destaca-se o efeito no processo de congelamento do sistema bionanocompósitos por Congelador (C) e Nitrogênio (N2) submetidos ao processo de freeze-drying. Foi possível avaliar a partir disso mudanças nas propriedades morfológicas das esferas produzidas e comparar o desempenho desses dois sistemas como potenciais carreadores de fármacos.

Palavras chaves

bionanocompósitos; híbridos; liberação de fármacos

Introdução

Preocupações com a perda de atividade de alguns fármacos disponíveis no mercado e intoxicação causada por altas doses de medicamentos de uso convencional tem direcionado o interesse em pesquisas na área de Biomedicina, concentrando-se na obtenção de materiais capazes de melhorar a cinética de liberação, diminuindo a administração de doses diárias e minimizando efeitos colaterais adversos. Esses materiais são conhecidos como sistemas de liberação controlada (DDS-Drug Delivery System), sendo possível encontrar na literatura uma variada gama de matrizes capazes de serem utilizadas como excipientes, tais como, lipossomas, micelas, polímeros de origem sintética e natural(biopolímeros), sólidos inorgânicos e até mesmo a combinação de duas fases como bionanocompósitos(TIBBITT;DAHLMAN; LANGER, 2016). Biopolímeros vem sendo extensamente explorados como matrizes de liberação de fármacos e isto está associado à formação de redes estruturais resistentes, capazes de envolver uma molécula farmacologicamente ativa, mantendo suas propriedades estruturais. Outro fator importante está associado ao aspecto biodegradável e biocompatível desses tipos de matrizes. Algumas espécies de polissacarídeos tais como alginato, carboximetilcelulose, costumam ser utilizados para a obtenção de sistemas de liberação de fármaco, devido a gama de produtos obtidos para esse fim como hidrogéis, filmes, espumas e principalmente esferas (WU; CHEN; JIN, 2016). Porém a formação da rede biopolimérica dessas espécies também pode gerar estruturas porosas, sensíveis a mudanças de pH, podendo promover a liberação precoce de grandes quantidades de fármaco em um curto período (efeito burst de liberação), tornando necessária o aumento de administrações diárias, capazes de causar sérios efeitos colaterais e tóxicos. A fim de contornar essa limitação, alguns sólidos inorgânicos encontrados na natureza ou mesmo sintetizados em laboratório podem ser usados como excipientes para moléculas desses fármacos, a partir de simples processos de intercalação da molécula ativa nas regiões interlamelares desses sólidos(WU et al., 2018). Por esse motivo esses sólidos são caracterizados como trocadores de íons, que dependendo de sua estrutura lamelar são capazes de possuir carga positiva ou negativa, naturalmente compensadas por íons de cargas opostas. Um exemplo de solido lamelar de cargas trocáveis é a argila Montmorillonita (Mt), que é encontrada de forma abundante na natureza, possui uma estrutura composta por duas folhas tetraédricas e uma folha central octaédrica de silício e alumínio respectivamente, unidas entre si por átomos de oxigênio comum a ambas as folhas. A presença desses átomos de oxigênio garante a estrutura da Montmorillonita um excesso de carga negativa prontamente equilibrada por íons de sódio ou cálcio, o que garante a esses materiais uma tendência de se expandir na presença de água e apresentar elevada capacidade de troca iônica (70 – 100 mEq /100 g de argila)(ALCÂNTARA et al., 2016). Outros solidos lamelares também se destacam por sua eficiência em intercalar moléculas orgânicas e protegê-las, como os HDLs (Hidroxidos Duplos Lamelares), essas especies são majoritariamente obtidas através de sintese em laboratorio a partir de diferentes rotas(método de coprecipitação, hidrotérmico...), adquirindo estruturas similares a brucita (Mg(OH)2), porém ocorre a substituição isomórfica do Mg2+ por cátions di e trivalentes na estrutura desse sólido, gerando um excesso de carga positiva, compensada pela introdução de ânions em seus espaços interlamelares(CUNHA et al., 2010).A investigação das propriedades de acomodação de espécies orgânicas nas regiões interlamelares desses sólidos demonstra que a formação de espécies hibridas (inorgânico-orgânico) ocorrem pela otimização do processo de síntese, que levam em consideração a solubilidade da molécula orgânica a ser intercalada (escolha do solvente, pH ótimo de síntese), tempo e temperatura de síntese(ROJAS et al., 2015). A partir disso é possível obter espécies hibridas nanoestruturadas, capazes de proteger a molécula orgânica de forma eficiente, mantendo suas propriedades intactas. Entretanto esses híbridos ainda encontram barreiras quando aplicadas como sistemas de liberação devido sua alta densidade, que podem gerar efeitos cumulativos em determinados tecidos do corpo. Com o objetivo de superar tais inconvenientes causados por biopolímeros ou híbridos como sistemas de liberação controlada de fármacos de forma individual, o presente trabalho traz como proposta a obtenção de um sistema bionanocompósito de liberação controlada de fármacos. Tal sistema é preparado a partir da combinação de matrizes biopoliméricas e híbridas orgânica-inorgânica, formando um único sistema, onde o sistema formado pode apresentar propriedades melhoradas devido à boa sinergia entre ambos os componentes, minimizando assim as desvantagens individuais de cada matriz, tornando-o adequado como um sistema de liberação controlada de fármaco.

Material e métodos

Preparo dos híbridos Mt-CFX e LDH-CFX:Primeiramente 0,5 g de argila Montmotillonita foi pesada e dispersa em 25 mL de água bidestilada. Uma suspensão contendo 0,25 g do fármaco foi adicionada a dispersão do argilomineral previamente preparada, permanecendo em agitação por 24 horas à temperatura ambiente. O pH do sistema foi reduzido a um pH 3,5. Após as 24 horas, o material foi centrifugado e lavado com água bidestilada. O hibrido HDL-CFX foi obtido pelo método de co-precipitação, no qual uma concentração contendo 0,2 M de ZnCl2 e 0,1 M de AlCl3.6H2O foi preparada em um balão de 250 mL Em seguida essa solução foi colocada em um sistema, sendo gotejada em uma solução 0,1 mol/L (250 mL) de CFX e na presença de atmosfera de Argônio. O sistema foi mantido constante a pH constante igual a 9.0 com adição de uma solução 1 mol/L de NaOH. Os híbridos obtidos foram secos a 60 °C, macerados e caracterizados. Obtenção de esferas a base de carrageeno e gelatina:A quantidade de i- carrageenano e gelatina foi mantida na proporção 1:0,25 em massa, mantendo o sistema equivalente a 1% m/v de biopolímeros. O i-carrageenano e a gelatina foram solubilizados em água destilada e mantidos em agitação constante a temperatura de 80 e 40 °C respectivamente. A gelatina foi adicionada ao sistema contendo i-carrageeno à temperatura ambiente sob agitação constante. A matriz biopolimérica formada foi transferida para uma bureta e gotejada em uma solução de CaCl2 (5 % m/v), posteriormente lavou-se com água destilada, para os íons Ca2+ residuais. As esferas obtidas passaram por diferentes processos de congelamento: Em congelador (por 24 horas a temperatura de -20°C) e com Nitrogenio liquido(-60°C) sendo as mesmas posteriormente liofilizadas. Esses sistemas foram utilizados para os estudos iniciais de liberação in vitro do ciprofloxacino. Caracterização: Os materiais híbridos foram analisados por Difração de raios X (D-8 Brucker),IF-ATR(FTIR-Bomen, modelo MB serie 102),Análise Elementar CHN( Perkin-Elmer modelo 2400).A morfologia das esferas foi obtida através do MEV (Modelo TM-3030). Liberação in vitro dos sistemas biopoliméricos de liberação oral: O estudo da liberação controlada de CFX foi conduzido suspendendo os híbridos Mt- CFX e LDH-CFX e as esferas a base de i-carrageenano: gelatina em condições que simulam as mudanças seqüenciais de pH: pH 1,2 (fluido gástrico simulado); tampão fosfato-TPS a pH 6,8 (primeira zona do fluido intestinal; e finalmente pH 7,4, (preparado pela adição de 1 M NaOH à solução de TPS pH 6,8), (segunda zona do fluido intestinal). Os sistemas foram colocados em contato com 750 mL de cada fluido à temperatura de 37 °C a 100 rpm o aparato 2 (pá) para a pastilha prensada do fármaco CFX puro, para as esferas de bionanocompósitos foi utilizada aparato 1 (cesta).Em intervalos de tempo pré-determinados, retirou-se uma aliquota da solução e a quantidade de CFX liberada das esferas carregadas com fármaco foi avaliada.

Resultado e discussão

A partir da difração de raios X de Mt,Mt-CFX é possivel detectar uma mudança do pico de difração montmorillonita (001) de 1,21 nm a 1,84 nm para MT-CFX, este perfil caracteristicamente correspondente a intercalação do fármaco nas regiões interlamelares de argila. O incremento do montmorillonite (Mt) é de aproximadamente 0,96 nm 22, a altura do espaço entre camadas do híbrido MT-CFX foi estimada como 0,63 nm. A estrutura da droga Ciprofloxacin tem dimensões é 12,2 Å largura, 8,0 Å altura e 4,1 Å comprimento, assim a molécula de droga está intercalada em uma posição formando uma monocamada dentro da argila. Para o hibrido HDL-CFX , é importante ressaltar uma possível mistura de fases, desde que ainda é evidenciado o pico em aproximadamente 11º de 2θ, no qual se assemelha ao encontrado no HDL de ZnAl-Cl-. Assim, a formação desse material nas condições de síntese aplicada é caracterizada por uma fase mista composta tanto por moléculas ciprofloxacino intercalado na região lamelar do HDL, como ânions cloreto. Também, observam-se reflexões características do fármaco em HDL-CFX, indicando a presença de fármaco adsorvido na superfície externa do HDL. A análise elementar de carbono (CHN) foi realizada para estimar a quantidade de ciprofloxacina incorporada nos hibridos, indicando que o teor de farmaco fixada foi de 75, 7 mEq de ciprofloxacino por 100g de montmorillonita, sendo esse valor proximo ao encontrado na literatura . Enquanto o HDL-CFX incorporou o correspondente a 111, 78 mEq por 100g de HDL. A capacidade de troca aniônica de um LDH é proximadamente em 330 mEq/100g, levando a crer que a estrutura do híbrido LDH-CFX é composta principalmente de outros aniões do que a molécula de drogas, como cloreto de íons(ALCâNTARA et al., 2010), este resultado corrobora com os resultados de XRD que apresentaram ambas as reflexões. Pertencentes à droga intercalada, bem como a presença de características reflexões de fase cloreto. A partir dos espectros obtidos de Mt e Mt-CFX foi possível constatar que a argilomineral montmorillonita apresenta bandas na região 3628 cm-1, equivalentes a ʋOH do Al,Mg(OH), bem como bancas em 1644 cm-1 δHOH assignada a moléculas de água no argilomineral. Tais bandas também são observadas no híbrido formado com o fármaco ciprofloxacino, entretanto mudanças significativas são observadas no espectro de absorção de MMT-CFX em comparação ao sólido de partida. Neste caso é importante ressaltar o aparecimento de bandas provenientes do antibiótico em 2981, 2847 cm-1 atribuídos ao estiramento C-H, bem como a presença de uma banda em 1712 cm-1 correspondente ao grupo –C=O na sua forma ácida no material híbrido. Adicionalmente, a banda característica ao agrupamento amina em 3044 cm-1 no fármaco puro não é mais apreciada no material híbrido, sugerindo possíveis interações entre estes grupos protonados com as lamelas de MMT. Considerando a existência do híbrido e suas possíveis interações, realizou-se a avaliação dos espectros de infravermelhos dos padrões de ciprofloxacino e do híbrido HDL-CFX é possível constatar bandas referentes a vibrações dos grupos hidroxilas em 3357 cm-1 para o composto de intercalação HDL-CFX, bem como vibrações na região inferior 600 cm-1 as quais são relacionadas vibrações do tipo M-O-M provenientes das lamelas do HDL. Comparando-se o híbrido obtido com o padrão vibracional do fármaco ciprofloxacino, observa-se que abanda referente às vibrações assimétricas e simétricas de grupos carboxilatos do fármaco em 1620, é deslocada no material híbrido para em torno de 1616 cm-1 (assimétricas) e 1558 cm-1 (simétricas). Tal deslocamento pode estar relacionado a possíveis interações entre a molécula do fármaco com as cargas positivas existentes no sólido lamelar através de interações eletrostáticas. A análise morfológica dos materiais foi obtida através de microscopia (Fig. 1), como pode ser observado há uma significativa mudança no aspecto dos bionanocompósitos obtidos, por exemplo (A) e (D) representam as esferas de i-CARR:GEL/CFX congeladas respectivamente em nitrogênio e congelador, logo é possível notar para (A) uma superfície mais compacta e aparentemente menos rugosa se comparada a (D), o mesmo pode ser observado para o sistema i- CARR:Mt-CFX (B-E), no qual é uma estrutura semelhante a ‘redes” é encontrado para a esfera congelada em nitrogênio e se assemelha aspecto de blendas compostas por carrageenano/ gelatina encontradas na literatura que passaram por processo semelhante de congelamento. Em contrapartida observa-se para (E) uma região com aspecto menos regular, onde pode-se inferir com uma região limite da “parede celular” do bionanocompósito, onde parte do hibrido encontra-se imobilizado no biopolímero, o mesmo aspecto é perceptível para i-CARR:GEL/HDL-CFX (F). O bionanocompósito i-CARR:GEL/HDL-CFX submetido ao N2 diferencia-se das demais espécies apresentadas por apresentar morfologia menos homogênea. Sistemas de liberação oral a base de blendas de i- carrageenano e gelatina foram preparadas na proporção 1:0,25, no qual foi encapsulado o fármaco ciprofloxacino puro e os respectivos híbridos formados -HDL-CFX e MMT-CFX. Os bionanocompósitos formados foram submetidos a diferentes soluções que simulam a passagem dos fármacos pela região gastrointestinal. Nos sistemas a base de HDL-CFX observa-se que tanto o fármaco puro quanto o composto de intercalação apresentaram uma imediata liberação do fármaco alcançando valores próximos a 100% da quantidade de CFX em menos de 30 minutos de liberação, impedindo que o princípio ativo atinja o trato intestinal. De fato, o HDL sofre uma rápida dissolução em pHs ácidos, liberando assim o fármaco de uma forma rápida e não controlada no organismo(ROJAS et al., 2015). Assim, as lâminas do HDL não são suficientes para proteger o fármaco e controlar a sua liberação. Esses resultados corroboram com a premissa de desenvolver sistemas capazes de controlar as taxas de drogas liberadas de forma imediata, uma vez que essas altas concentrações resultam na perda de biodisponibilidade da droga, longos processos terapêuticos, levando a fortes efeitos colaterais. Em contraste, o híbrido MMT-CFX puro mostrou uma liberação muito mais controlada comparada ao composto de intercalação análogo a base de HDL, permitindo o fármaco fosse liberado gradativamente em diferente pHs que simulam o processo gastrointestinal. Este comportamento está relacionado à estrutura química mais resistente das argilas frente a fluidos gastrointestinais, não sofrendo desagregação de suas lamelas e por isso é possível observar uma lenta liberação do fármaco na primeira zona possibilitando um processo de liberação mais longo e controlado(BAJAJ et al., 2010). No entanto, o processo de liberação dos sistemas bionanocompósitos formados pelos HDL-CFX e MMT-CFX demonstram uma visível melhora nas taxas de liberação da droga quando esta encontra-se intercalada nesses sólidos, alcançando a aproximadamente 80 e 90% de fármaco liberado em 8 horas de ensaio. Quando compara-se as matrizes submetidos a diferentes formas de congelamento é visível uma mudança nos perfis de liberação dos bionanocompósitos, principalmente para i-CARR:GEL/CFX e i-CARR:GEL/HDL-CFX submetidos ao congelador, seus perfis de liberação demonstram que o processo de difusão do fármaco ocorre mais rapidamente que para as matrizes submetidas a N2, sugerindo que o processo de difusão do fármaco para o meio está ligado a possíveis poros existentes nesses sistemas, que não são encontrados nas matrizes congeladas por N2. Estes resultados são interessantes e demostram a utilidade dos sistemas bionanocompósitos aqui processados, como uma forma de proteger, estabilizar e controlar sistemas a base de sólidos inorgânicos-fármaco, especialmente aqueles a base de HDL em administração oral.

Comparação morfológica dos materiais obtidos mediante congelamento em nitrogênio líquido (A-C) e congelador convencional (D-F).


Curvas de liberação de sistemas bionanocompósitos preparados mediante congelamento em N2 líquido e congelador convencional.

Conclusões

O híbrido formado pelo fármaco ciprofloxacino e a argila montmorilllonita foi sintetizado com base nas propriedades de troca catiônica deste argilomineral, no qual foi possível observar o aumento das distancias basais após intercalação do fármaco. As possíveis interações entre o fármaco e a argila foram comprovadas através de análises de IV-ATR. Os híbridos HDL-CFX e MMT-CFX puros foram avaliados como sistemas carreadores de fármacos onde observou-se uma liberação rápida do ciprofloxacino a partir do híbrido HDL-CFX, devido a sensibilidade do híbrido HDL em fluidos ácidos que simulam a primeira zona gastrointestinal. Por outro lado, o sistema a base de MMT-CFX, mostrou-se mais estável a mudanças de pH que ocorre no trato gastrointestinal. A diferença na forma de congelamento pode conferir as matrizes biopoliméricas diferentes morfologias, essas diferenças são ainda mais perceptíveis quando comparados aqueles que contém os híbridos de MMT-CFX e HDL-CFX. Os híbridos MMT-CFX e HDL-CFX foram encapsulados em sistemas biopoliméricos a base de i-carrageenano e gelatina formando esferas para liberação oral. Houve um aparente retardo no processo de liberação do fármaco nos sistemas bionanocompósitos onde o fármaco é previamente imobilizado em uma matriz lamelar, sendo possível diminuir ainda mais o processo difusão do fármaco para o meio, tornando o processo de liberação ainda mais controlado. A diferença de congelamento nas matrizes apresenta uma significativa diferença nos percentuais de liberação, conferindo aos sistemas submetidos ao congelamento com N2 liquido valores mais baixos e levando a crer numa maior estabilidade desses sistemas quando submetidos aos fluidos que simulam a região gastrointestinal.

Agradecimentos

Os autores agradecem a FAPEMA, projeto UNIVERSAL-01118/16, ao CNPq pela bolsa de mestrado concedida, à Central Analítica de Química (CCET-UFMA), ao LIM- Bionanos (UFMA) e à Central de Materiais (CCET-UFMA-Física).

Referências

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