Síntese e caracterizaçÃo de filmes de quitosana-alginato com ou sem reticulaçÃo química para a recuperaçÃo de feridas



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SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE FILMES DE QUITOSANA–ALGINATO COM OU SEM RETICULAÇÃO QUÍMICA PARA A RECUPERAÇÃO DE FERIDAS
Jacqueline C. Nery1, Sandra R. Silva1, Ezequiel S. Costa Jr.1

1 Departamento de Engenharia de Materiais, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Belo Horizonte (MG), Brasil.

E-mail: jackfisio81@yahoo.com.br



Resumo. A pele é a primeira barreira de proteção do corpo e esta exposta a diversas agressões ambientais. Uma vez lesionada ou ferida pode deixar o organismo vulnerável a entrada de micro-organismos. Portanto, quanto mais rápido ocorrer o processo de cicatrização menor será as possíveis complicações. Atualmente a obtenção de filmes de biopolímeros contendo quitosana e alginato tem sido cada vez mais utilizada na engenharia de tecidos. A quitosana, um polissacarídeo de origem natural, obtido a partir da desacetilação alcalina da quitina possui a capacidade de estimular a regeneração celular, propriedades hemostáticas, fungicidas, antibacteriana e antitumoral podendo ser usada na fabricação de matérias-primas para curativos. O alginato um polissacarídeo natural extraído das algas, possui propriedades mucoadesivas, é biocompatível e biodegradável. A união destes polímeros faz com que as propriedades destes sejam potencializadas podendo ser uma alternativa no tratamento das feridas agudas e crônicas por evitar a contaminação das lesões e proporcionar uma recuperação mais rápida e eficiente. O foco do presente trabalho é a realização de um estudo sistemático sobre os biopolímeros quitosana e alginato de sódio, a síntese e a caracterização de filmes de quitosana-alginato com ou sem reticulação química para recuperação de feridas. Os filmes foram submetidos à caracterização visual, espectroscópica por FTIR e térmica através de TGA e DSC. Foram obtidos filmes de quitosana-alginato que apresentam potencial utilização como biomaterial, principalmente no tratamento de lesões cutâneas como bandagens capazes de auxiliar no processo de regeneração tecidual, além de criar mais uma opção de tratamento para aqueles que possuem feridas e úlceras agudas e/ou crônicas.
Palavras-chave: Filmes, Quitosana, Alginato de sódio, Lesões cutâneas, Bandagem para ferida.

1. INTRODUÇÃO
Correspondendo a 16% do peso corpóreo a pele é o maior órgão e a barreira natural de proteção do corpo humano. Algumas das suas principais funções são a termorregulação corpórea, o controle hidroeletrolítico e do fluxo sanguíneo, a defesa orgânica e a filtração dos raios UVA e UVB [Junqueira; Carneiro, 2005; Veiga, 2009].

Sendo a primeira barreira de proteção do corpo, a pele esta exposta a diversas agressões ambientais que podem deixar o organismo vulnerável a entrada de micro-organismos patogênicos e oportunistas [Almeida, 2009; Veiga, 2009]. Portanto, quanto mais rápido ocorrer o processo de reparação tecidual, menores as possíveis complicações [Sperandio, 2009]. Porém, esse processo pode ser lento devido à idade, imobilidade, estado nutricional, diabetes, medicamentos, localização anatômica da ferida e presença de infecções. Nas lesões crônicas o processo de cicatrização natural é insuficiente e difícil, pois envolve perda tecidual sendo a cura destas lesões um desafio clínico a ser superado pelos profissionais e pesquisadores da área da saúde [Paul; Sharma, 2004].

A quitosana (Fig.1) considerada um amino-polissacarídeo é um polímero natural derivado da N-desacetilação da quitina, principal constituinte do exoesqueleto de crustáceos e artrópodes, formada por uma sequência linear de açúcares monoméricos do tipo β-(1-4)2-acetamido-2-deoxi-D-glicose (N-acetilglicosamina) [Craveiro et al., 1999; Muzzarelli et al., 1988]. Possui propriedades hemostática, fungicida, antibacteriana e antitumoral, além da capacidade de estimular a migração e a proliferação celular e reorganizar a histoarquitetura das células [Paul; Sharma, 2004; Mi et al., 2003; Suzuki; Mizushima, 1997; Muzzarelli et al., 1988] podendo ainda ser utilizada no tratamento contra a obesidade, na produção de microesferas para liberação controlada de agentes ativos, na preparação de filmes para embalagens de alimentos, de fios cirúrgicos e materiais para regeneração óssea e curativos [Mi et al., 2001; Suzuki; Mizushima, 1997].

Figura 1 - Estrutura da quitosana [Jayakumar et al., 2010].
O alginato de sódio é um sal de sódio do ácido algínico e é um polímero aniônico solúvel em água. Pode ser extraído de diversos tipos de algas principalmente três espécies marrons a Laminaria hyperborean, Ascophyllum nodosum e Macrocystis pyrifera, além de ser composto pela repetição de duas diferentes unidades, a (1,4)-α-L-guluronato ou unidade G e a (1,4)-β-D-manuronato ou unidade M (Fig.2). A utilização deste biopolímero é de extrema importância para o tratamento de feridas de difícil cicatrização, pois é considerado relativamente inerte, biocompatível, biodegradável e possui a capacidade de formar matrizes de gel de elevada porosidade com boas propriedades mucoadesivas [Paul; Sharma, 2004; Fan et al., 2006].

Figura 2 - Representação da estrutura dos meros dos ácidos β-D-manurônico (a), α- L-gulurônico (b) e do polímero natural alginato (c) [Ertesvág; Valla, 1998].
A união destes dois biopolímeros proporciona o desenvolvimento de um complexo polieletrolítico no qual ocorre uma interação eletrostática entre os grupos amino da quitosana

e os grupos carboxil do alginato, promovendo uma eficiência maior na liberação controlada de fármacos e na absorção dos fluidos das lesões. [Yang et al., 2000; Wang et al., 2001].

Diante desses fatores, torna-se importante a análise do real potencial dos filmes constituídos por quitosana-alginato para a recuperação de feridas.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Todos os sais e reagentes foram utilizados em grau analítico e água Milli-Q foi utilizada em todas as soluções (18,0MΩ). Quitosana em pó da Sigma-Aldrich® (massa molar (MW) = 340.000 g/mol e grau de desacetilação (GD) >75%). Alginato de sódio em pó da Sigma-Aldrich® (massa molar (MW) = 100.000 g/mol, com aproximadamente 61% de ácido manurônico e 39% de ácido gulurônico, com uma relação M/G de 1,56).
2.1 Preparação dos filmes constituídos de quitosana e alginato

Para o preparo dos filmes contendo quitosana e alginato utilizou-se como base o método proposto por Yan et al., (2000) e Wang et al., (2001 e 2002) e sumarizado por Rodrigues et al., (2008). Nesta técnica para a formação dos agregados poliméricos a solução de quitosana misturada a um solvente orgânico como a acetona, para controlar a velocidade de formação dos complexos poliméricos deve ser lentamente adicionada, sob agitação a solução de alginato. Com o intuito de se determinar as características do melhor filme obtido, foram realizados vários ensaios. Foram avaliados parâmetros como a reticulação por imersão em solução aquosa de CaCl2 a 2% m/v seguida da imersão em água deionizada, imersão somente em água deionizada e ausência de ambas imersões.

Brevemente, uma alíquota de 90 mL de solução ácida de quitosana e acetona (45 mL de solução de quitosana a 1% m/v em solução aquosa de ácido acético a 2% v/v com adição de 45 mL de acetona) foi colocada em uma bureta graduada e adicionada gota-a-gota em 90 mL de solução aquosa de alginato de sódio a 0,5% (m/v). O sistema foi mantido sob agitação constante de aproximadamente 100 rpm através de agitador magnético. A mistura obtida foi agitada por 10 minutos a aproximadamente 1000 rpm. Em seguida, adicionou-se 16,537 mL de NaOH a 0,5 M sob agitação de 1000 rpm por 10 minutos, visando ajustar o pH para o valor de 5,28 conforme proposto por Cárdenas et al., (2003) no qual a quitosana apresenta-se protonada e o alginato desprotonado. Por fim, 1,8 mL de CaCl2 a 2% foi adicionado ao sistema sob agitação de 1000 rpm por 10 minutos, para formar um complexo termoestável resistente com os íons Ca++. Todas as etapas foram realizadas em sequência, sem intervalos uma após a outra. A mistura polimérica obtida foi desaerada em bomba de vácuo por 90 minutos.

Após a desaeração, a solução foi transferida para uma placa de Petri de poliestireno de 8,5cm e seca a 40°C em estufa por 20 horas. Posteriormente, foram preparados três filmes distintos. O primeiro filme foi imerso em 150 mL de CaCl2 a 2% (m/v) por 1 h para reticular as cadeias de alginato que ainda se encontravam livres. Para retirada do CaCl2 em excesso foram realizadas mais duas imersões em 200 mL de água deionizada por 1 h cada. O segundo filme foi imerso somente em água deionizada e o terceiro filme não foi submetido em nenhuma imersão. A secagem final foi realizada em temperatura ambiente por 24 h e as amostras foram armazenadas em temperatura ambiente.



2.2 Caracterização dos filmes

A quitosana e o alginato em pó e os filmes obtidos foram caracterizados de acordo com as técnicas de espectroscopia de absorção na região do infravermelho-FTIR (registrados em um espectrofotômetro Shimadzu Corporation, modelo IRPrestige-21 equipado com transformada de Fourier, FTIR-8400S e acessório atr), da análise térmica incluindo termogravimetria-TG (através do equipamento SII EXSTAR, modelo TG/DTA7200, em atmosfera de nitrogênio com vazão de 40 mL/min e taxa de aquecimento 10°C/min) e calorimetria exploratória diferencial-DSC (obtidas em um equipamento SII EXSTAR, modelo DSC 7020 em atmosfera de nitrogênio com vazão de 20 mL/min e taxa de aquecimento 10°C/min). Além disso, os filmes foram inspecionados quanto ao seu aspecto visual a olho nu e fotografados com uma câmera digital modelo Sony Cyber-Shot DSC-W320.



3 RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1 Espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR)

Os espectros de infravermelho da quitosana e do alginato de sódio em pó e dos filmes contendo quitosana e alginato são mostrados na Fig.3. Bandas características da quitosana são observadas em 3570cm-1 para os grupos hidroxila, 2891cm-1 para C-H, 1652cm-1 para deformação axial C=O de amida I, 1379cm-1 para a deformação angular simétrica de CH3, 1047cm-1 para C-O-C, sendo alguns valores semelhantes descritos por Santos et al., (2003). Para o alginato de sódio bandas características foram encontradas em 3399cm-1 para O-H, 1603cm-1 para o estiramento assimétrico de COO-, 1409cm-1 para o estiramento simétrico COO- e 1028cm-1 para C-O-H, valores menores do que os encontrados por Fan et al., (2006).

O filme que foi imerso em uma solução de cloreto de cálcio seguido de uma imersão em água deionizada (Alg/Quit1) e o filme que foi imerso somente em água deionizada (Alg/Quit2) tiveram um espectro semelhante apresentando picos maiores em relação às amostras dos polímeros em pó. O filme que não foi imerso em nenhuma solução (Alg/Quit3) apresentou na região de estiramento axial uma banda mais forte (entre 3600cm-1 e 3000cm-1) que pode ser devido à ausência da imersão em cloreto de cálcio e em água deionizada onde o grupo O-H torna-se mais evidente.

Figura 3 - Espectros da quitosana e do alginato de sódio em pó e dos filmes de quitosana/alginato.


3.2 Análise térmica/Calorimetria exploratória diferencial – DSC
A Figura 4a mostra a curva DSC da quitosana entre 0 e 5000C, observa-se um pico endotérmico a 1800C, correspondendo ao processo de desidratação e um exotérmico a 3030C, indicando o processo de decomposição assim como descrito por Santos et al., (2003). A Figura 4b mostra a curva DSC do alginato de sódio entre 0 e 2500C, que apresenta um pico endotérmico a 1310C valor semelhante ao encontrado no estudo de Lima (2006) e um valor maior que o encontrado por Miura et al., (1999).

(a) aaaaaa

(b) aaaaaa

Figura 4- Curva calorimétrica da quitosana (a) e do alginato de sódio (b).
Comparando as curvas DSC dos filmes obtidos, o filme Alg/Quit1(Fig.5a) apresentou uma mudança na linha de base em torno de 1200C e um pico endotérmico em 1660C e o filme Alg/Quit2 (Fig.5b) uma mudança na linha de base à 1710C podendo representar a transição vítrea do material. O pico maior no filme Alg/Quit1 pode ser explicado pela imersão na solução de cloreto de cálcio seguida pela imersão em água deionizada promovendo a reticulação deste filme. O filme Alg/Quit3 (Fig.5c) apresentou um pico endotérmico a 630C e um exotérmico a 2000C indicando um comportamento distinto dos polímeros.

(a) aaaaaa

(b) aaaaaa



(c) aaaaaa

Figura 5 - Curva calorimétrica do filme Alg/Quit1 (a), Alg/Quit2 (b) e Alg/Quit3 (c).

3.3 Análise térmica/Termogravimetria (TG)
A Figura 6a mostra a curva de TG para quitosana que apresenta um processo de desidratação seguido de decomposição com geração de material carbonizado. Na Figura 6b observa-se a curva TG do alginato de sódio que entre 0 a 200ºC ocorre o processo de desidratação seguido por degradação de Na2CO3, material carbonizado, em torno de 6000C.

(a) aaaaaa

(b) aaaaaa

Figura 6 - Curva de termogravimetria da quitosana (a) e do alginato de sódio (b) em pó.
Na curva TG para amostra Alg/Quit1 (Fig.7a) ocorreu à desidratação de 0 a 2000C seguido pela degradação que apresenta uma perda de massa maior. Para a amostra Alg/Quit2 (Fig.7b) é observado uma perda de massa menor e uma decomposição maior quando comparado às amostras Alg/Quit1 e Alg/Quit3. Na amostra Alg/Quit3 (Fig.7c) ocorreu uma perda de massa maior no primeiro estágio seguido por dois eventos de decomposição.

(b)

(a)



(c)

Figura 7 - Curva de termogravimetria dos filmes Alg/Quit1 (a), Alg/Quit2 (b) e Alg/Quit3 (c).

3.4 Aspecto dos filmes
A Figura 8 mostra que os filmes obtidos Alg/Quit1(a) e Alg/Quit2(b) são transparentes e possuem um aspecto de maior fragilidade quando comparado com o filme Alg/Qui3(c), porém o filme Alg/Quit2 apresenta-se mais frágil que o Alg/Quit1. O filme Alg/Quit3 apresenta-se esbranquiçado e rugoso.

(a)

(b)

(c)

Figura 8 - Fotografia dos filmes obtidos Alg/Quit1(a), Alg/Quit2(b), Alg/Quit3(c).

4. CONCLUSÃO
Foram obtidos diferentes filmes de quitosana-alginato que apresentam um potencial para utilização como biomaterial, principalmente no tratamento de lesões cutâneas como bandagens capazes de auxiliar no processo de regeneração tecidual, além de criar mais uma opção de tratamento para aqueles que possuem feridas e úlceras agudas e/ou crônicas.

Os resultados da caracterização dos filmes de quitosana/alginato mostraram que houve interação química entre os componentes o que é possível observar na análise do FTIR e na análise térmica. A reticulação do filme com CaCl2 proporcionou um retardamento na temperatura de desidratação e de degradação do material sugerindo uma maior estabilidade térmica, tendo este filme um bom potencial para ser utilizado na regeneração tecidual.


AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES, FAPEMIG, CNPq, CEFET-MG e ao DEMAT.

REFERÊNCIAS
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SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF FILMS OF CHITOSAN-ALGINATE WITH OR WITHOUT CHEMICAL RETICULATION FOR WOUND HEALING
Jacqueline C. Nery1, Sandra R. Silva1, Ezequiel S. Costa Jr.1

1 Department of Materials Engineering, Federal Center of Technological Education of Minas Gerais, Belo Horizonte (MG), Brazil.

E-mail: jackfisio81@yahoo.com.br



Abstract: The skin is the first barrier that protects the body and it is exposed to various environmental aggressors. Once it is injured or wounded, the body is left vulnerable to the entry of microorganisms. Therefore, the faster the healing process occurs, the lower the possibility of complications. Recently, the synthesis of biopolymer films that contain chitosan and alginate has been increasingly utilized in tissue engineering. Because of its capacity to stimulate cell regeneration and its haemostatic, antifungal, antibacterial, and antitumor properties, chitosan, extracted from alkaline deacetylation of chitin, can be effectively utilized in the manufacture of materials for wound dressing. Alginate, a natural polysaccharide extracted from sea weed has mucoadhesive properties, and it is biocompatible and biodegradable. The union of these polymers facilitates the utilizaton of their properties in order to create an alternative treatment option of acute and chronic wounds that minimizes the risk of contamination of the lesions and provides a faster and more efficient recovery. The focus of this work is to conduct a systematic study on chitosan and sodium alginate biopolymers and the synthesis and characterization of films of chitosan-alginate with or without chemical reticulation for wound healing. The films were submitted to visual, spectroscopy by FTIR and thermal by DSC and TGA characterization. Chitosan-alginate were obtained. These films have potential use as a biomaterial especially in the treatment of cutaneous lesions such as bandages capable of assisting in the process of tissue regeneration and create another treatment option for patients who have wounds or acute or chronic ulcers.
Keywords: Films, Chitosan, Sodium alginate, Skin lesions, Bandage to the wound.

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