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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.75.2019.tde-14012019-101144
Documento
Autor
Nome completo
Andrea de Lacerda Bukzem
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2018
Orientador
Banca examinadora
Campana Filho, Sergio Paulo (Presidente)
Cavalheiro, Carla Cristina Schmitt
Assis, Odilio Benedito Garrido de
Carvalho, Antonio José Felix de
Tiera, Vera Aparecida de Oliveira
Varanda, Laudemir Carlos
Título em português
Membranas porosas à base de carboximetilquitosana e poli (álcool vinílico) para o tratamento de lesões de pele
Palavras-chave em português
biomateriais
carboximetilquitosana
membranas porosas
poli (álcool vinílico)
Resumo em português

Este trabalho teve por objetivo a produção de membranas porosas à base de carboximetilquitosana (CMQ) para serem empregadas no tratamento de lesões de pele. Inicialmente, β-quitina extraída de gládios de lula foi submetida a processo de desacetilação assistida por irradiação de ultrassom de alta intensidade (processo DAIUS), resultando em quitosana com grau médio de desacetilação (GD) 63 % e massa molecular média viscosimétrica (Mv) 10,3 ± 0,4 x 105 g mol-1. Carboximetilquitosana (CMQ) foi sintetizada sob condição heterogênea a partir da reação entre quitosana DAIUS e ácido monocloracético em meio alcalino por 4 horas a 30 °C, resultando em CMQ com Mv= 1,51 ± 0,06 x 105 g mol-1, graus médios de substituição e de desacetilação (GS) = 1,1 e GD= 70 %, respectivamente. Na segunda etapa do presente estudo, membranas porosas à base de CMQ e poli (álcool vinílico) (PVA) foram produzidas através de processo de liofilização de soluções aquosas de CMQ e PVA, ou de blendas contendo diferentes proporções mássicas CMQ/PVA, a saber 75/25, 50/50, 25/75. Em todos casos a concentração polimérica foi 0,5 % (m/v). As membranas foram caracterizadas quanto a morfologia, porosidade, capacidade de hidratação e propriedades mecânicas e térmicas (TG). Adicionalmente, foram avaliados os efeitos da reticulação com genipina nas propriedades físico-químicas e mecânicas das membranas. Os resultados dessa etapa revelaram que os materiais obtidos apresentaram superfícies porosas e poros interligados, exibindo elevadas porosidade (68,3 ± 2,5 % - 88,4 ± 1,12 %) e capacidade de hidratação (1080 ± 51 % - 2500 ± 27 %). Foi observado que a presença de PVA na blenda polimérica empregada para produzir as membranas CMQ/PVA resultou em materiais pouco solúveis em meio aquoso e termicamente mais estáveis quando comparados às membranas CMQ e PVA. Assim, a membrana preparada a partir da blenda com menor conteúdo de PVA (membrana (CMQ/PVA)75/25) exibiu maior estabilidade térmica quando comparada à membrana CMQ, sendo que estas apresentaram Tonset 280 °C e 264 °C, respectivamente. Os ensaios de tração revelaram que a partir de blendas ricas em PVA resultaram membranas mais resistentes, porém menos sujeitas a alongamento quando comparadas à membrana CMQ. Assim, as membranas (CMQ/PVA)75/25) e (CMQ/PVA)25/75 apresentaram valores de tensão na ruptura 2,6 ± 0,22 KPa e 20,91 ± 1,19 KPa, respectivamente, entretanto a última amostra apresenta menor capacidade de alongamento (5,38 ± 0,33 %) quando comparada à membrana CMQ (9,12 ± 0,62 %). De maneira geral, o processo de reticulação permitiu a obtenção de membranas estáveis em meio aquoso, e também mais porosas e mais resistentes, como as membranas R(CMQ/PVA)75/25), cuja porosidade é 88,4 ± 1,12 %, e R(CMQ), cuja tensão na ruptura é 42,18 ± 2,10 KPa. Contudo, as membranas reticuladas apresentaram menores estabilidade térmica, capacidade de absorção de água (1062,4 ± 18,2 % (R(CMQ/PVA)25/75)) e de alongamento (1,62 ± 0,23 % (R(CMQ/PVA)75/25)). Os resultados obtidos nessa etapa do estudo indicaram que, as membranas que apresentaram maior potencial para aplicação como curativo para lesões de pele foram a composta somente por CMQ reticulada com genipina (R(CMQ)) e aquela não-reticulada constituída por CMQ/PVA na proporção mássica de 25/75 ((CMQ/PVA)25/75). Com o objetivo de potencializar a sua utilização no tratamento de lesões de pele e conferir novas propriedades às membranas R(CMQ) e (CMQ/PVA)25/75, nanopartículas de ZnO ou de TiO2 foram adicionadas a essas formulações em diferentes proporções em relação à massa total de polímero, a saber 1 %, 2,5 % e 5 %, totalizando quatro novos conjuntos de amostras. Além das caracterizações físico-químicas e mecânicas, os quatro novos conjuntos de membranas também foram submetidos a ensaios in vitro de suscetibilidade à degradação enzimática e de citotoxicidade em relação à linhagem de células de fibroblastos Balb/C 3T3 clone A 31. Os resultados dessa etapa revelaram que a incorporação de nanopartículas resultou em membranas com poros mais definidos e com maior capacidade de absorção de água, a qual atingiu 3326 ± 106 % no caso da membrana (CMQ/PVA)25/75_5TiO2. Em relação à propriedades térmicas e mecânicas, os conjuntos se comportaram de maneiras diferentes de acordo com a natureza e o teor de nanopartículas e em função do material de partida. Assim, os valores de Tonset das membranas R(CMQ)_5ZnO, R(CMQ)_5TiO2 e R(CMQ) são 273 °C, 280 °C e 243 °C, respectivamente, revelando que a estabilidade térmica foi favorecida pela presença de elevado teor de nanopartículas de ZnO ou de TiO2. Entretanto, os valores de Tonset das membranas (CMQ/PVA)25/75 e (CMQ/PVA)25/75_5TiO2 foram 280 °C e 243 °C, respectivamente, revelando que a estabilidade térmica foi desfavorecida pela presença de nanopartículas de TiO2, o que não ocorreu quando nanopartículas de ZnO foram incorporadas, sugerindo a ocorrência de processo de degradação de PVA, possivelmente catalisado por TiO2. Os ensaios de tração indicam que as nanopartículas podem não estar homogeneamente dispersas na maioria das membranas estudadas, pois os resultados não permitem racionalizar tendências de comportamentos mecânicos em função da natureza e do teor de nanopartículas, e em função da membrana considerada. Assim, no caso da membrana (CMQ/PVA)25/75, a inserção de carga elevada (5 %) de nanopartículas de TiO2 resultou em membrana mais resistente à tração, mas a incorporação de teores medianos (2,5 %) de nanopartículas de ZnO tornou tal membrana mecanicamente mais frágil, o que também foi observado no caso da membrana R(CMQ), mesmo quando teor elevado de nanopartículas de TiO2 foi incorporado. A capacidade de alongamento das membranas também foi afetada pela natureza e teor de nanopartículas, mas também nesse caso não são observadas tendências claras. Desta forma, no caso das membranas (CMQ/PVA)25/75, com nanopartículas tanto de ZnO quanto de TiO2, assim como para a membrana R(CMQ) com nanopartículas de ZnO, a inserção das nanopartículas resultou em membranas com maior capacidade de alongamento. Já a incorporação de nanopartículas de TiO2 nas membranas R(CMQ) gerou membranas com menor capacidade de alongamento. Por outro lado, a presença de nanopartículas nas membranas não afetou a susceptibilidade à degradação enzimática, sendo verificado que apenas a composição da matriz polimérica influenciou a estabilidade das membranas. As membranas compostas somente por CMQ reticuladas com genipina degradaram completamente após quatro dias, ao passo que as amostras contendo PVA, independentemente da presença de nanopartículas ou de reticulação com genipina, foram apenas parcialmente susceptíveis à ação da enzima. Por fim, todas as amostras, com exceção da amostra R(CMQ)_5ZnO, se mostraram atóxicas em relação a fibroblastos Balb/C 3T3 clone A 31. De forma geral, as membranas constituídas por CMQ/PVA contendo nanopartículas de ZnO ou de TiO2 exibiram características físico-químicas, mecânicas e biológicas mais promissoras quando considerada a potencial aplicação desses materiais como curativos para lesões de pele.

Título em inglês
Carboxymethylchitosan/poly (vinyl alcohol)-based membranes as potential wound dressings
Palavras-chave em inglês
biomaterials
carboxymethylchitosan
poly (vinyl alcohol)
porous membranes
Resumo em inglês

This work aimed to produce porous carboxymethylchitosan-based membranes to be used in the treatment of skin lesions. Thus, β-chitin extracted from squid pens was subjected to ultrasound assisted deacetylation (USAD process), resulting in USAD chitosan with acetylation degree (GD) 63% and viscosity-average molecular weight (Mv) 10.3 ± 0.4 x 105 g mol-1. Carboxymethylchitosan (CMCh) was synthesized under heterogeneous condition from the reaction between USAD chitosan and monochloroacetic acid in alkaline medium for 4 hours at 30 °C, resulting in CMCh with Mv= 1,51 ± 0,06 x 105 g mol -1, average degrees of substitution and deacetylation (GS) = 1,1 and GD= 70 %, respectively. In the second step of the present study, porous membranes based on CMCh and polyvinyl alcohol (PVA) were produced by freeze-drying aqueous solutions of CMQ and PVA, or blends containing different weight ratios CMCh/PVA, namely 75/25, 50/50, 25/75. In all cases the polymer concentration was 0.5% (w/v). The membranes were characterized with respect to morphology, porosity, hydration capacity and mechanical and thermal properties (TG). Additionally, the effects of crosslinking with genipin on the physicochemical and mechanical properties of membranes were evaluated. The results of this step revealed that the materials presented porous surfaces and interconnected pores, exhibiting high porosity (68.3 ± 2.5% - 88.4 ± 1.12%) and swelling capacity (1080 ± 51% - 2500 ± 27%). It was observed that the presence of PVA in the polymer blends employed to produce the CMCh/PVA membranes resulted in materials poorly soluble in aqueous medium and thermally more stable as compared to CMCh and PVA membranes. Thus, the membrane prepared from the blends with lower content of PVA (membrane (CMCh/PVA)75/25) showed higher thermal stability when compared to the CMCh membrane, which presented Tonset 280 ° C and 264 ° C, respectively. The tensile tests showed that from PVA rich blends, the membranes were more resistant were produced, but less subject to elongation as compared to the CMCh membrane. Thus, the membranes (CMCh/PVA)75/25) and (CMCh/PVA)25/75 presented rupture tensile values of 2.6 ± 0.22 KPa and 20.91 ± 1.19 KPa, respectively. The latter sample presented a lower elongation capacity (5.38 ± 0.33%) as compared to the CMCh membrane (9.12 ± 0.62%). In general, the crosslinking process allowed to obtain membranes stable in aqueous media, and also more porous and more resistant, such as membranes R(CMCh/PVA)75/25, whose porosity is 88.4 ± 1.12 %, and R(CMCh), whose tensile strength at break is 42.18 ± 2.10 KPa. However, the crosslinked membranes presented lower thermal stability, water absorption capacity (1062.4 ± 18.2 % (R(CMCh/PVA)25/75)) and elongation (1.62 ± 0.23% (R(CMCh/PVA)75/25)). The results obtained in this stage of the study indicated that the membranes that presented the greatest potential for application as a curative for skin lesions were composed only of CMCh reticulated with genipine (R(CMCh)) and the non-reticulated CMCh/PVA mass ratio of 25/75 ((CMCh/PVA)25/75). In order to potentiate its use in the treatment of skin lesions and confer new properties on R(CMCh) and (CMCh/PVA)25/75 membranes, ZnO or TiO2 nanoparticles were added to these formulations in different proportions in relation to the total polymer mass, to know, 1%, 2.5% and 5%, totaling four new sets of samples. In addition to the physicochemical and mechanical characterization, the four new membrane sets were also submitted to in vitro enzymatic degradation susceptibility tests with respect to the Balb / C 3T3 fibroblast cell line clone A 31. The results of this step revealed that the incorporation of nanoparticles resulted in membranes with more defined pores and with greater water absorption capacity, which reached 3326 ± 106 % in the case of the membrane (CMCh/PVA)25/75_5TiO2. Regarding the thermal and mechanical properties, the assemblies behaved differently according to the nature and content of nanoparticles and as a function of the membrane composition. Thus, the Tonset values of membranes R(CMCh)_5ZnO, R(CMCh)_5TiO2 and R(CMCh) are 273 °C, 280 °C and 243 °C, respectively, showing that thermal stability was favored by the presence of high content of ZnO or TiO2 nanoparticles. However, Tonset values of the membranes (CMCh/PVA)25/75 and (CMCh/PVA)25/75_5TiO2 were 280 °C and 243 °C, respectively, showing that thermal stability was disadvantaged by the presence of nanoparticles of TiO2, which did not occur when nanoparticles of ZnO were incorporated, suggesting the occurrence of a degradation process of PVA, possibly catalyzed by TiO2. The tensile tests indicate that the nanoparticles may not be homogeneously dispersed in most of the studied membranes, because the results do not allow to rationalize tendencies of mechanical behavior according to the nature and content of nanoparticles, and depending on the membrane considered. Thus, in the case of the membrane (CMCh/PVA)25/75, the high load insertion (5%) of TiO2 nanoparticles resulted in a more tensile membrane, but the incorporation of medium contents (2.5%) of nanoparticles of ZnO made such a membrane mechanically more fragile, which was also observed in the case of membrane R(CMCh), even when high content of TiO2 nanoparticles was incorporated. The elongation capacity of the membranes was also affected by the nature and content of nanoparticles, but also in this case no clear trends were observed. Thus, in the case of membranes (CMCh/PVA)25/75, with nanoparticles of both ZnO and TiO2, as well as for membrane R(CMCh) with nanoparticles of ZnO, the insertion of the nanoparticles resulted in membranes with greater capacity of stretching. Already the incorporation of TiO2 nanoparticles in membranes R(CMCh) generated membranes with less capacity of elongation. Already the incorporation of TiO2 nanoparticles in the membranes R(CMCh) generated membranes with less capacity of elongation. The presence of nanoparticles in the membranes did not affect the susceptibility to enzymatic degradation, being verified that only the composition of the polymer matrix influenced the stability of the membranes. Membranes composed only of CMCh crosslinked with genipine completely degraded after four days, whereas samples containing PVA, regardless of the presence of nanoparticles or crosslinking with genipine, were not susceptible to the action of the enzyme. Finally, all samples, except for sample R(CMCh)_5ZnO, were shown to be nontoxic in relation to Balb / C 3T3 fibroblasts clone A 31. In general, membranes consisting of CMCh/PVA containing ZnO nanoparticles or of TiO2 exhibited the most promising physical-chemical, mechanical and biological characteristics when considering the potential application of these materials as curatives for skin lesions.

 
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Data de Publicação
2019-01-17
 
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