UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOSCENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICACurso de Mestrado

Área de Concentração: Físico Química

2º Relatório

" ESTUDO DA FORMAÇÃO DE POLÍMEROS HÍBRIDOS DO TIPO

HIDROGEL QUIMICAMENTE LIGADOS A NANOPARTÍCULAS

PARA DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS RESPONSIVOS"

Aluno(a): Adriel Bortolin

Orientador(a): Caue Ribeiro de Oliveira

Ingresso no Curso: 1º/2014

Bolsista: CNPq

Requisitos já cumpridos:

- Exame de proficiência em inglês- Exame de Qualificação

SÃO CARLOS, 31 de Julho de 2015

1

1. Introdução

Hidrogéis tem sido estudado para liberação controlada de diferentes moléculas,

porém este processo limita-se ao comportamento difusional da molécula de interesse.

Assim, seria desejável desenvolver hidrogéis responsivos a estímulos externos (como

campos magnéticos), para que o processo de liberação pudesse ser iniciado ou

interrompido remotamente e que ainda apresente características de controle na liberação

de determinado composto.

A FIGURA 1.1 apresenta a comparação entre um sistema convencional para um

sistema de liberação controlada de um determinado princípio ativo, podendo ele ser um

fármaco ou um agroquímico.1

FIGURA 1.1 - Diferença entre os modelos de liberação controlada e o sistema

convencional, indicando diferentes momentos de aplicação (AP.) do composto (adaptado

de BRANNON-PEPPAS, 1997).

2

Sistemas de liberação controlada tem como principal objetivo aumentar a eficiência

funcional dos princípios ativos, mantendo a ação do produto por um longo período em

apenas uma única aplicação, consequentemente, diminuindo a o custo de todo o processo,

evitando dosagens tóxicas quando trata-se de liberação de fármacos e contaminação

ambiental e de trabalhadores, quando de aplicações na agricultura.

Dentre os materiais candidatos que potencialmente desenvolvem tal comportamento,

as características únicas de hidrogéis modificados tornam-nos em veículos adequados

para aplicações em sistemas de liberação lenta/controlada de algum composto de

interesse.

Hidrogéis são materiais poliméricos constituídos por cadeias poliméricas longas e

flexíveis, que podem ser interligadas por ligações covalentes (hidrogéis químicos ou

reticulados) ou interações físicas (hidrogéis físicos). Em determinadas condições, estes

materiais podem absorver grande quantidade de água, ou solução de interesse.

Uma estratégia de modificação das propriedades de um hidrogel é projetálo como

compósito ou nanocompósito, nos quais argilominerais surgem como o material de carga

mais imediato e mais estudado. Estes materiais apresentam alta hidrofilicidade, alta

capacidade de troca de cátions e, consequentemente, alta afinidade com as cadeias

hidrofílicas de hidrogéis. Assim, argilominerais em geral podem ser adequadamente

incorporados à rede polimérica durante o processo de síntese do hidrogel, permitindo

melhorias nas propriedades mecânicas e sorção e dessorção de nutrientes.2,3 Além disso,

dependendo da quantidade de argilomineral utilizado na síntese dos hidrogéis pode-se

reduzir consideravelmente o custo do material, fazendo com que ele se torne competitivo

no mercado.

3

Hidrogéis responsivos pertencem a uma classe de materiais que podem responder a

certas modificações no ambiente externo em que o mesmo se encontra. Por muitos anos,

pesquisadores têm desenvolvido e caracterizando hidrogéis sensíveis apresentando

variações de suas propriedades, por exemplo, na capacidade de absorção de água –

quantificada pelo grau de intumescimento, em função do pH, intensidade iônica,

temperatura, ou na presença de uma molécula específica.4,5,6 Propriedades únicas pode ser

alcançadas através de incorporação de vários materiais nano e microestruturados, tais

como polissacarídeos, argilomineirais, partículas metálicas ou moléculas biológicas

que podem ser inseridas na matriz polimérica do hidrogel.7,8,9 Em particular, os

nanocompósitos de hidrogéis responsivos podem exibir a capacidade de acionamento a

um determinado estímulo. Estudos recentes têm mostrado que os hidrogéis

nanocompósitos responsivos à variação de calor podem ser acionados por estímulos

externos como luz ou o campo magnético e, assim, o processo de liberação pode ser

iniciado externamente. 10, 11

2. Objetivos e cronograma proposto

Neste período de (1º/2014), foram realizados levantamentos bibliográficos sobre

hidrogéis responsivos e os diversos campos de aplicação desses materiais. Quanto as

atividades experimentais foram sintetizadas as nanopartículas magnéticas, baseando-se

em trabalhos anteriores do grupo de pesquisa e iniciouse a síntese dos nanocompósitos já

com as nanopartículas funcionalizadas.

A TABELA 2.1 mostra, em cinza, as etapas cumpridas nesses primeiros 18 meses de

doutorado, considerando o que foi proposto, observa-se que o cronograma está sendo

4

cumprido, como teve-se alguns problemas durante o desenvolvimento do projeto,

algumas etapas programadas não foram cumpridas (Vermelho) e outras etapas foram

adicionadas ao cronograma do projeto (Verde).

TABELA 2.1 – Cronograma para o desenvolvimento do projeto e atividades acadêmicas.

Em cinza as etapas que já foram concluídas.

Etapas 1 2 3 4 5 6 7 8

Cursar disciplinas da pós-graduação X X X Levantamento bibliográfico X X X X X X X X Síntese das nanopartículas magnéticas X X Síntese das nanopartículas de nióbio e tungstênio X XSíntese e otimização dos hidrogéis magnetorresponsivos

X X X

Estudo da interação entre as cadeias do hidrogel com as nanopartículas magnéticas ou não magnéticas

X X X X

Caracterização hidrofílica e de liberação de ureia e octaborato de sódio (princípios ativos)

X X X

Caracterização morfológica e estrutural X X X X Exame de qualificação e seminário X Elaboração de relatórios de acompanhamento X X X X X X X Elaboração de artigos científicos X X X X X Redação de tese X X X

Entretanto não haverá problemas para o desenvolvimento do projeto no prazo

determinado pelo doutorado.

3. Resumo do Relatório Anterior

3.1 – Síntese das nanopartículas magnéticas:

As nanopartículas de magnetita foram obtidas a partir da dissolução de

acetilacetonato de ferro (III) em álcool benzílico, seguida de solvotermalização em

temperaturas que variaram de 175 a 200°C, sem a adição de surfactantes, utilizando a

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metodologia proposta por Pinna et al. As nanopartículas formadas foram

funcionalizadas superficialmente com álcool benzílico, através da sua esterificação

com oxigênios da superfície do óxido. Desta forma, o material está adequado para

reações subsequentes com o polímero.

3.2 – Síntese dos nanocompósitos magnéticos:

Os hidrogéis constituídos por poliacrilamida (PAAm) foram obtidos por meio de

polimerização química do monômero acrilamida (AAm, Sigma-Aldrich) em solução

aquosa contendo as nanopartículas de magnetita funcionalizadas. As concentrações de

cada constituinte foram e ainda estão sendo otimizadas a fim de obter as melhores

respostas para o material, considerando-se a necessidade de reação com as

nanopartículas. A reação de polimerização / reticulação foi catalisada pelo reagente

N,N,N’,N’- tetrametil- etilenodiamina (TEMED, Sigma-Aldrich). Persulfato de sódio

(Na2S2O8, Sigma-Aldrich) foi adicionado com intuito de iniciar a reação de

polimerização via radical livre. As soluções resultantes foram transferidas para

moldes onde permaneceram por 24 horas para completa polimerização. Após a

polimerização, os hidrogéis foram transferidos para recipientes com água destilada e

submetidos a tratamento de purificação por meio de diálises por 5 dias. Em todas as

condições estudadas observou-se a formação do nanocompósito sem ser observado,

visualmente, algum resíduo das nanopartículas ou outros constituintes do na etapa de

purificação, indicando, possivelmente que houve a incorporação da magnetina na

síntese do material.

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4 – Etapas do Cronograma completadas:

Ver a tabela 2.1 as etapas marcadas em cinza foram completadas até o momento.

5 - Atividades Desenvolvidas

Nesse período foi publicado um capítulo de livro cujo título é: “Perspectives in

Nanocomposites for the Slow and Controlled Release of Agrochemicals: Fertilizers and

Pesticides” baseado em trabalhos do nosso grupo de pesquisa. Adicionalmente foi

submetido para a revista Journal of Agriculture and Food Chemistry um artigo referente

as pesquisas do segundo ano de mestrado e complementados por alguns resultados

obtidos já no período do doutorado. Foi também apresentado um trabalho no 16 th

WOLRD FERTILIZER CONGRESS OF CIEC, cujo título é: “Evidence of synergistic

effects on the slow release of fertilizers by nanocomposite hydrogels”.

No período de 2º 2014 e 1º 2015, foram iniciadas as atividades de pesquisa do

projeto, onde começou-se a colher alguns resultados bem como alguns problemas a serem

contornados. Para atingir o objetivo proposto no projeto, dentre as demais caracterizações

que foram propostas, será feito a Ressonância Magnética Nuclear (RMN) para indicar

onde o as nanopartículas funcionalizadas se ligam no polímero. Porém, a nanopartícula

escolhida para o trabalho apresenta atividade magnética, portando esta análise não seria

possível observar esta ligação. Como alternativa, realizou-se a síntese de nanopartículas

de Tungstênio e Nióbio também funcionalizadas com o mesmo recobrimento que as

nanopartículas de magnetita, o que será possível observar o RMN do polímero sintetizado

com essas nanopartículas.

7

Antes da síntese dos nanocompósitos foram feitas as caracterizações das

nanopartículas magnéticas e iniciou-se a caracterização as nanopartículas de tungstênio e

nióbio para futuras comparações com os nanocompósitos.

A síntese do nanocompósito magnético está praticamente fechada, onde observou-

se que os materiais sintetizados, mesmo com 0,5 % de nanopartículas magnéticas

funcionalizadas apresentou comportamento magnético quando expostas a um campo

magnético de um imã. Foram feitos alguns testes preliminares de intumescimento Q para

os nanocompósitos magnéticos com e sem o tratamento de hidrólise. A reação de

hidrolise da PAAm é descrita pela Figura 7. Em meio básico, a PAAm é facilmente

hidrolisada até mesmo em baixas temperaturas (40-70 ºC). A reação de hidrólise é

composta por uma adição nucleofílica do íon OH- a carbonila e eliminação do ânion

amina (NH2-)12. O mecanismo dessa reação é mostrado na Figura 5.1. A reação de

hidrólise não é reversível.

Figura 5.1: Esquema representativo sobre o possível mecanismo de hidrólise dos

hidrogéis.

A conversão de grupamentos amida a carboxílicos fazem com que o Grau de

Intumescimento aumente consideravelmente, como é visto na Figura 5.2 e Tabela 5.1.

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Hidrogel 2,0 % Fe3O4

seco

Hidrogel 2,0 % Fe3O4

Intumescido em água

Hidrogel 2,0 % Fe3O4

Hidrolisado e

Intumescido em água

Figura 5.2: Nanocompósitos magnéticos seco, sem hidrólise e hidrolisado.

A presença das nanopartículas afetam o grau de intumescimento para os

nanocompósitos sem o tratamento de hidrólise, entretanto a concentração do mesmo pelo

menos entre 0 e 2,0 % não observou-se mudanças significativas. Quando os

nanocompósitos são submetidos ao processo de hidrólise, a quebra dos grupamentos

amida minimizam a diferença do grau de intumescimento ao se adicionar as

nanopartículas magnéticas na síntese. Os valores de Q no equilíbrio são descritos na

Tabela 5.2.

Tabela 5.2: Valores de Grau de intumescimento no equilíbrio para os nanocompósitos

com diferentes teores de nanopartículas magnéticas com e sem hidrólise.

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% Magnetita

Hidrogel 0,0% 0,5 % 2,0%

(3:1) 62,3 ± 1,0 34,1 ± 0,5 31,7 ± 0,3

(3:1) Hd. 3383 ± 172 2906 ± 156 3300 ± 392

Na Figura 5.3 são mostrados os difratogramas de raios-X da montmorilonita,

hidrogel PAAm, CMC e MMt e do nanocompósitos com as nanopartículas

funcionalizadas incorporadas. As distâncias interlamelares ou distâncias interplanares

basais (d001) das amostras foram calculadas a partir a partir dos respectivos picos de

difrações e empregando a lei de Bragg, Equação 1:

nλ=2 d001 senθ

(1)

onde = ângulo de incidência; n = ordem de reflexão e = comprimento de onda da

radiação incidente ( = 0,154 nm).

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Figura 5.3: Difração de raios X para a MMt pura, hidrogel (3:1) e (3:1) com as nanopartículas magnéticas incorporada.

O difratograma de raios-X da argila pura mostrou um intenso pico em 2 = 6,56º,

referente ao plano basal e correspondendo a uma distância interlamelar d001 = 1,35 nm, na

qual identifica-se a fase montmorilonita, como esperado. Observa-se ainda os picos a 25

e 27o, correspondentes a possíveis contaminações com quartzo, comumente identificadas

em materiais de origem mineral.13,14 O pico basal do argilomineral não foi identificado

nos nanocompósitos com ou sem magnetita, o que indica que houve uma boa dispersão

da MMt na matriz polimérica do nanocompósitos Pode-se observar ainda para o hidrogel

existem picos de difração em 28, 31, 38 e 45o, correspondendo a distâncias inter-planares

de 3,18, 2,88, 2,63 e 2,09 A e são observados em ambos nanocompósitos. É confirmada a

presença das nanopartículas de magnetita funcionalizadas pelas presenças dos picos de

difreção em 35, 39, 42, 47, 48º, identificados justamente no difratograma para o hidrogel

com magnetita.

6 - Atividades Futuras

Logo no início de agosto está programada uma viagem a EMBRAPA hortaliças,

localizada em Brasília-DF, onde pretende-se aplicar os hidrogéis em sistemas de

desenvolvimento de mudas. Os materiais que serão testados foram os obtidos no

mestrado com um processamento novo que possibilitou o desenvolvimento do produto

final, o qual será usado na aplicação e com fortes chances de ser patenteado pelo grupo

de pesquisa. Nos próximos 12 meses, pretende-se participar de alguns eventos científicos,

11

publicar artigos com parte do trabalho obtido até o momento e escrever uma patente

como mencionado anteriormente, realizar mais 2 disciplinas na PG, sendo uma

obrigatória e uma optativa. Quanto a parte experimental pretende-se otimizar a síntese

dos nanocompósitos com as diferentes nanopartículas e caracteriza-los frente as

propriedades hidrofílicas, espectroscópicas (FTIR-Raman), morfológicas e estruturais.

7 - Referências Bibliográficas

12

1 BRANNON-PEPPAS, L. “Polymers in Controlled Drug Delivery”, 1997. Disponível em <http://www.devicelink.com/mpb/archive/97/11/003.html>, acessado em 20/01/2014.

2 PENG, L.; SIDDARAMAIAH, N. H. K.; SEOK, B. H. & Lee, J. H. “Novel PAAm/Laponite clay nanocomposite hydrogels with improved cationic dye adsorption behavior”. Compos. Part-B. Eng. 39 : 756, 2008.

3 YUMEI, Y.; XIANG S. & PIXIN. W. “Fabrication and characterization of microstructured and pH sensitive interpenetrating networks hydrogel films and application in drug delivery field”. Eur. Pol. J. 45 : 2, 2009.4 RZAEV, Z.M.O.; DINCER, S. & PISKIN, E “Functional copolymers of N isopropylacrylamide for bioengineering applications”. Prog. Polym. Sci. 32 (5) : 534, 2007.5 CHATERJI, S.; KWON, I.K. & PARK, K. “Smart polymeric gels: redefining the limits of bio-medical devices”. Prog. Polym. Sci. 32 (8–9) : 1083, 2007. 6. HE, C.; KIM, S.W. & LEE, D.S. “In situ gelling stimuli-sensitive block copolymer hydrogels for drug delivery” J. Control. Rel. 127 (3) : 189, 2008. 7. E.S. GIL, E.S. & HUDSON, S.M. “Stimuli-reponsive polymers and their bioconju-gates” Prog. Polym. Sci. 29 (12) : 1173, 2004.

6 FRIMPONG, R.A. & HILT, J.Z. “Hydrogel nanocomposites for intelligent therapeutics” in: N.A. Peppas, J.Z. Hilt, J.B. Thomas (Eds.), Nanotechnology in Therapeutics: Current Technology and Applications, Horizon Scientific Press, Norfolk, 241, 2007.7 FILIPCSEI, G.; CSETNEKI, I.; SZILAGYI, A. & ZRINYI, M. “Magnetic field-responsive smart polymer composites” Adv. Polym. Sci. 206 : 137, 2007. 10. SERSHEN, S.R. & WEST, J.L. “Implantable, polymeric systems for modulated drug Delivery” Adv. Drug Deliver. 54 :1225, 2002.8 YOSHIHIKO, K.; YOSHIYUKI S.; KAZUYUKI, K. J. Mat. Chem. , 3081: 9, 19999 HU, S.H.; LIU, T.Y.; LIU, D.M. & CHEN, S.Y. “Controlled pulsatile drug release from a ferrogel by a high-frequency magnetic field” Macromolecules 40 (19) : 6786, 2007.

10 FRIMPOMG, R.A. & HILT, J.Z. “Poly(n-isopropylacrylamide)- based hydrogel coatings on magnetite nanoparticles via atom transfer radical polymerization” Nanotechnology 19 : 175101, 2008.

11 SERSHEN, S.R.; MENSING, G.A.; HALAS, N.J.; BEEBE, D.J. & WEST, J.L. “Independent optical control of microfluidic valves formed from optomechanically responsive nanocomposite hydrogels” Adv. Mater. 17 (11) : 1366, 2005.12 LEHTO, T., RUUHOLA, T., DELL, B., Forest Ecol. Manag., 2053: 260, 201013 JIANTAO, L.; SHIMEI, X. A.; XIAOMEI, S.; SHUN, F. & JIDE, W. Polym. Advan.

Tecnol., 645: 20, 2009.14

São Carlos, 31 de julho de 2015.

Adriel Bortolin Prof. Dr. Caue Ribeiro de Oliveira

Doutorando Orientador

8 - Anexos