Síntese e caracterização de esferas biodegradáveis com óxido de ferro

Autores

Gomes, V.A.M. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Silva, P.P. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Carvalho, G.M. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA)

Resumo

Diferentes pesquisas buscam a produção de blendas e compósitos com propriedades biodegradáveis para amenizar os problemas ambientais. Este trabalho tem por objetivo preparar esferas magnéticas biodegradáveis com alginato, celulose e magnetita e estudar suas propriedades físico-químicas e estruturais. A magnetita foi sintetizada pelo método de co-precipitação e as esferas produzidas por gotejamento. As esferas apresentaram capacidade de intumescimento entre 36,6% – 70,1%, umidade entre 0,9 – 15,3% e solubilidade entre 1,7 – 32,1%. A composição e a reticulação são fatores que influenciam no comportamento do polímero. As análises de infravermelho indicam a presença de interações intermoleculares entre os grupos funcionais dos polímeros contribuindo para a estruturação das esferas.

Palavras chaves

Blendas; Polímeros; Compósitos

Introdução

Diferente são os materiais de fontes renováveis que seguem com relevância na Ciência de Materiais por serem biodegradáveis e possuírem amplas aplicações nas áreas de alimentos, saúde e meio ambiente. Entre os diferentes polímeros estudados, destaca-se a celulose (CEL) e o alginato (ALG) por serem acessíveis e de fácil manipulação. O ALG é um polissacarídeo extraído de algas marrons ou obtido de biossíntese por bactérias (DIAS, 2020). A solução de ALG na presença de soluções com cátions bivalente, o ALG se reticula formando esferas, esse processo é resultado da interação dos íons e os grupos funcionais presentes na estrutura (SCHAFRANSKI, 2019; DIAS, 2020). A CEL também é um polissacarídeo extraído da parede celular das plantas e apresenta insolubilidade em água em razão das interações intermoleculares, sendo solúvel em soluções alcalinas (POLEZ, 2019; ZAMAN et al., 2020; ARAÚJO et al., 2021). Usufruindo da propriedade de solubilidade, em soluções ácidas a CEL dissolvida pode ser regenerada e ser moldado de acordo com o objetivo do estudo (esferas ou membranas). Em razão dessas especificidades de reticulação (ALG) e regeneração (CEL), é possível a produção de esferas incorporadas com substâncias, como por exemplo, a magnetita – Fe3O4 (MAG). O óxido de ferro é um nanomaterial de baixo custo, não possui toxicidade ao ser humano/meio ambiente e apresenta propriedades de biocompatibilidade e biodegradabilidade. (SANTANA, 2021). Tornando-se viável a produção de compósitos e blendas para variadas aplicações utilizando o óxido e os polímeros. Sendo assim, o presente trabalho tem por objetivo produzir e caracterizar esferas de CEL, ALG e MAG.

Material e métodos

A MAG foi sintetizada pela metodologia de co-precipitação, adaptada de Souza (2011). Soluções de FeSO4.7H2O e FeCl3.6H2O (1:2 mol) foram misturadas em um balão mantidas sob agitação magnética por 30 minutos em atmosfera de nitrogênio (N2) e temperatura de 25°C. Em seguida, adicionou-se hidróxido de amônio (NH4OH) [1,5 mol. L-1] e manteve-se a agitação por mais 40 minutos em N2. A MAG formada foi isolada com um imã, lavada com metanol e dispersa na proporção de 30% (m/m) na solução do polímero. As soluções dos polímeros foram preparadas na concentração de 3% (m/v) e as esferas produzidas foram CEL; CEL/MAG; ALG; ALG/MAG; ALG/CEL e CEL/ALG/MAG. Utilizou-se a solução de CEL dissolvido em NaOH/ureia/H2O (7/12/81%m/v) para o gotejamento em ácido sulfúrico (H2SO4) (10%), as esferas de CEL permaneceram por 15 minutos na solução e em seguida foram lavadas até pH=7. Para as esferas CEL/MAG incorporou-se a dispersão da MAG em CEL e gotejou-se conforme indicado na esfera de CEL. As esferas ALG foram preparadas com o gotejamento da solução de ALG em cloreto de cálcio (CaCl2) (3%m/v), as esferas permaneceram na solução em repouso por 24h a 25°C e lavadas com água destilada. Para as esferas ALG/MAG adicionou-se a dispersão de MAG em ALG e realizou-se mesmo processo da esfera de ALG. Nas esferas CEL/ALG, misturou-se soluções de CEL e ALG na proporção 50%/50% (v/v) e nas esferas de CEL/ALG/MAG, adicionou-se a MAG (30% m/m) na solução de CEL/ALG, para ambas esferas os processos de gotejamento foram iguais aos descritos para as esferas de ALG. Todas as esferas foram secas em 45°C por 24 horas e submetidas a ensaios físico-químicos de teor de solubilidade (S), teor de umidade (U), intumescimento (INT) e análise de espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR).

Resultado e discussão

A esfera de CEL apresentou menores valores de S, U e INT (Figura 1). Este comportamento pode estar relacionado com as fortes interações intra/intermoleculares da rede cristalina da CEL, tornando-a insolúvel em água (ZAMAN et al., 2020). A esfera ALG demonstrou maiores valores de S e U por ser um polímero hidrofílico. No entanto na blenda CEL/ALG, percebe-se a redução dos valores do INT, S e U devido ao envolvimento das -OH e outros grupos funcionais do ALG com a CEL para formação da blenda. Essas interações envolvidas são observadas no espectro A apresentado na Figura 2, onde é perceptível o deslocamento e redução da intensidade das bandas atribuídas aos estiramentos dos grupos O-H em 3335cm-1; C-H em 2898cm-1; C-O em 1040cm-1; COO- em 1650cm-1 e C- O-C em 1407cm-1. Estes deslocamentos podem ser atribuídos a interação entre CEL e ALG, contribuindo para a redução da capacidade de intumescimento e solubilidade (REIS, 2019).A presença de MAG reduz os valores de S, U e INT das esferas (com exceção a CEL). Esse comportamento é decorrente das interações do Fe3O4 com as -OH superficiais dos polímeros e as interações entre o óxido e as cadeias adjacentes (ALG-MAG-ALG; AL-MAG-CEL, CEL-MAG-CEL) resultando uma rede polimérica densa e com menor disponibilidade dos grupos funcionais interagirem com a H2O (LIN et al., 2019). Tais afirmações coadunam com as interpretações dos espectros B, C e D da Figura 2, as bandas referentes ao estiramento do grupamento O-H das esferas com MAG apresentaram redução na intensidade. Os picos presentem nas regiões de 500cm-1 são atribuídos aos estiramentos característicos Fe-O (BRITO et al., 2019). Todas as esferas com MAG apresentaram picos característicos da MAG em 500cm-1, confirmando a incorporação do óxido no polímero.

Conclusões

As esferas à base de celulose e alginato foram preparados com sucesso por pela técnica de gotejamento. Os espectros de FT-IR puderam confirmar interações intermoleculares entre os polímeros e o óxido sugerindo que estas contribuem com a estruturação desses materiais. Os menores valores de capacidade de intumescimento em água e solubilidade podem ser atribuídos as fortes interações entre o ALG e a CEL.

Agradecimentos

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ); a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível (CAPES) pelo fomento da pesquisa e ao Grupo de polímero -UEL.

Referências

ARAÚJO, B. A. et al. The application of biodegradable polymers as a sustainable alternative. Research, Society and Development, [S. l.], v. 10, n. 9, p. 1-17, 2021.

BRITO, E. L. et al. Superparamagnetic magnetite/IPEC particles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 560, p. 376-383, 2019.

DIAS, M. R. Obtenção e processamento de microesferas de alginato/vidro bioativo. 2020. Dissertação (Mestrado) - Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais, Belo Horizonte, 2020.

LIN, F. et al. Smart cellulose-derived magnetic hydrogel with rapid swelling and deswelling properties for remotely controlled drug release. Cellulose, v. 26, n. 11, p. 6861-6877, 2019.

POLEZ, R. T. Ésteres de celulose: síntese, propriedades e preparação de mantas e esferas com aplicações em imobilização de lipase. 2019. Dissertação (Mestrado) – Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2019.

REIS, T. Síntese de hidrogéis de alginato reticulados com nanofibras de lactato de cálcio/poli(óxido de etileno) obtidas por eletrofiação. 2019. Relatório parcial – Departamento de Química da Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2019.

SANTANA, N. S. Síntese, caracterização e investigação da ação oxidante da L-Cisteína ancorada na superfície de nanopartículas de Magnetita. 2021. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Universidade Federal de São Paulo, Diadema, 2021.

SCHAFRANSKI, K. Extração e caracterização de compostos fenólicos de folhas de amoreira preta (Morus nigra L.) e encapsulamento em esferas de alginato. 2019. Dissertação (Mestrado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2019.

SOUZA, A. T. Síntese e caracterização de nanopartículas magnéticas de óxido de ferro para aplicações biomédicas – um estudo citotóxico em linhagem celular de carcinoma cervical humano (células HeLa). 2011. Dissertação (Mestrado) - Universidade Estadual Paulista, Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas, São José do Rio Preto, 2011.

ZAMAN, A. et al. Preparation, properties, and applications of natural cellulosic aerogels: a review. Energy and Built Environment, v. 1, n. 1, p. 60-76, 2020.