Les difficultés et les dangers rencontrés

Hidrogéis são compostos poliméricos que formam uma rede tridimensional quando estão na presença de água (Ratner et al., 2004). O caráter hidrofílico é associado a presença de grupos funcionais em suas estruturas, tais como: hidroxila, carboxílico, amina e sulfônico (Baroli, 2007). Hidrogéis apresentam a capacidade de reterem uma grande quantidade de água, sem que haja dissolução (Baroli, 2007; Duan et al., 2015; Hoffman, 2012).

A insolubilidade dos hidrogéis é atribuída às interações secundárias e ligações primárias, entre os polímeros. Dentre as interações secundárias existentes, podem ser citadas: ligações de hidrogênio, Van der Waals e interação eletrostática. As ligações primárias são as ligações covalente e iônica que podem existir entre as macromoléculas ou entre uma macromolécula e macro-íon (Baroli, 2007; Ratner et al., 2004). Os hidrogéis também podem formar redes poliméricas interpenetradas, por meio da interação entre polímeros diferentes (Baroli, 2007; Ratner et al., 2004).

Os materiais formados por hidrogéis oferecem várias vantagens para emprego na produção de biomateriais de reparo ósseo, podem ser modificados com outros grupos funcionais ligantes, podem ser moldados e preparados de diversas formas diferentes, podem apresentar grande quantidade de poros e esses podem ser interconectados permitindo o transporte de nutrientes pelas células. Além disso, a umidade desses materiais é de grande importância para proteção de células e fármacos (Hoffman, 2012; Ratner et al., 2004).

Devido ao caracter hidrofílico são muito utilizados para produção de biomateriais que necessitam manter um ambiente úmido (Baroli, 2007; Hoffman, 2012). Hidrogéis são muito usados na produção de curativos, na qual a presença de um material úmido é importante durante o processo de cicatrização (Duan et al., 2015) (Bellini et al., 2015; Duan et al., 2015). Os hidrogéis de quitosana, por exemplo, são excelentes candidatos como cicatrizantes, pois além de manterem a umidade, a quitosana age como um agente antimicrobiano (Ferreira et al., 2016).

O processo de absorção de água pelos hidrogéis, de acordo com Baroli (2007) e Hoffman (2012), ocorre em três etapas. Primeiro há difusão das moléculas de água para o hidrogel, tais moléculas interagem com os grupos hidrofílicos causando intumescimento, esse mecanismo é chamado de primeira ligação da água. Posteriormente, as moléculas de água interagem com outras moléculas de água e com o polímero e há a formação de uma camada interfacial de água ou segunda

ligação da água. A terceira etapa ocorre pela difusão de moléculas de água por osmose, e tal processo é controlado pelas forças relativas às interações físicas ou químicas (formadas no hidrogel), que contrabalanceiam o processo de difusão, de modo que evite sua degradação. Esse terceiro mecanismo é chamado de água livre (Baroli, 2007; Hoffman, 2012). De acordo com Baroli (2007) o balanço dessas duas forças pode ser representado pela Equação 1:

𝑃_𝑠𝑤 = 𝑘 × 𝐶𝑛 (Equação 1)

onde 𝑃𝑠𝑤 é a pressão de intumescimento, 𝑘 e 𝑛 são constantes e 𝐶 é a concentração da macromolécula. No equilíbrio a pressão de intumescimento é igual a zero, pois nesse ponto cessa a entrada de água no hidrogel.

O grau de intumescimento de um hidrogel (GI), ou seja, a porcentagem de massa que ele ganha com a difusão de água, ao mesmo tempo em que há expansão de seu volume, pode ser expresso pela Equação 2:

𝐺𝐼 = 𝑚𝑖−𝑚𝑠

𝑚𝑠 X100 (Equação 2)

onde 𝑚𝑠 é a massa do hidrogel seco e 𝑚𝑖 a massa do hidrogel intumescido (Baroli, 2007).

Os hidrogéis podem ser classificados de acordo com as interações ou ligações que apresentam, em químicos e/ou físicos. Os hidrogéis químicos são aqueles que são formados por uma rede reticulada ou ligações mais fortes, como ligações covalentes (Hoffman, 2012). Nesse caso, eles necessitam de um agente reticulante, para que ocorra a reação de polimerização e forme uma rede em três dimensões. O uso do agente reticulante depende dos grupos funcionais presentes na rede polimérica (Baroli, 2007; Berger et al., 2004).

Os hidrogéis físicos são aqueles que apresentam interações mais fracas entre seus componentes, como as interações eletrostáticas, ligação de hidrogênio e interações hidrofóbicas (Baroli, 2007; Hoffman, 2012). As interações existentes nos hidrogéis físicos são consideradas reversíveis, ou seja, podem ser interrompidas por alteração de algumas condições: força iônica, pH e temperatura do sistema (Hoffman, 2012). Tais hidrogéis não necessitam de um agente reticulante adicional, o que é uma

vantagem, pois muitos desses reagentes são tóxicos, como o glutaraldeído, por exemplo (Baroli, 2007; Berger et al., 2004).

As interações iônicas podem ocorrer entre macromoléculas e contra-íons, formando os chamados hidrogéis ionotrópicos. Essas interações também podem ocorrer entre macromoléculas de cargas opostas. Ao misturar dois géis de polissacarídeos com cargas opostas, como a xantana (-COO-_{) e quitosana (-NH}

3+), por exemplo, pode-se produzir um hidrogel físico, que nesse caso também pode ser chamado de complexo de polieletrólito, por ser formado por um policátion (gel de quitosana) e um poliânion (gel de xantana) (Argin-Soysal et al., 2009; Kuzmenko et al, 2014; Mandel, 1993; Thünemann et al, 2004).

Para um complexo de polieletrólito apresentar boa estabilidade, os polieletrólitos que o formam devem apresentar proporções similares dos seus grupos funcionais (Thünemann et al., 2004). No trabalho de Ikeda, et al., (2014) os autores estudaram o grau de ionização do complexo formado entre xantana e quitosana e verificaram que os grupos carboxilatos da xantana e os grupos aminos da quitosana, apresentam valores de grau de ionização parecidos em pH próximo a 5,4 (Ikeda et al, 2014).

O fator primordial que contribui para a formação do complexo de polieletrólito é o ganho de entropia, causado pela liberação espontânea de contra-íons em solução, que ocorre conforme o complexo de polieletrólito é formado (Thünemann et al., 2004). Além disso, pode haver a contribuição de ligações de hidrogênio e interações hidrofóbicas (Berger et al., 2004; Thünemann et al., 2004).

O complexo de polieletrólito pode exibir propriedades físicas e químicas únicas. Complexos formados por xantana e quitosana, por exemplo, podem apresentar boas propriedades de intumescimento com a variação do pH (Argin-Soysal et al., 2009; Gonçalves, et al, 2005; Popa et al., 2010).

Os polieletrólitos em solução, quando apresentam seus grupos ionizados ao longo da cadeia, podem sofrer fortes interações eletrostáticas e isso pode provocar alteração na conformação de suas cadeias quando essas são flexíveis. O tipo de solvente e a concentração da macromolécula também podem ocasionar mudança de conformação da cadeia do polieletrólito em solução. Todos estes fatores, por conseguinte, podem influenciar na viscosidade da solução polieletrolítica (Kuzmenko et al., 2014; Milas, 1991). A conformação da cadeia dos polieletrólitos em uma solução, pode ser influenciada pela quantidade de grupos funcionais presentes ao

longo da cadeia, que ao mesmo tempo está relacionada com alterações na força iônica e do pH das soluções (Milas, 1991).

Quando o pH de uma solução de polieletrólitos é alterado, a quantidade de cargas ao longo da cadeia dos polieletrólitos pode mudar e isso pode alterar a conformação de suas estruturas (Berger et al., 2004).

Na Figura 5 são representadas, esquematicamente, as interações entre cadeias de quitosana com um polímero carregado com carga oposta e também é apresentanda a dependência das interações entre as macromoléculas com relação ao pH do sistema (Berger et al., 2004).

Figura 5: Esquema do comportamento da quitosana e um polímero aniônico, quando submetidos ao

intumescimento em diferentes valores de pH. Devido ao caracter polieletrolítico dessas macromoléculas, elas apresentam intumescimento sensível ao pH. Adaptado de Berger et al., (2004).

Além do pH, a alteração na conformação da cadeia dos polieletrólitos depende do ângulo de ligação entre seus grupos funcionais e do tamanho desses grupos. Um polieletrólito carregado, por exemplo, apresentará uma cadeia estendida e essa poderá apresentar uma conformação em forma de bastonete ou haste. Entretanto um polieletrólito que apresente seu grupos funcionais neutros apresentará uma cadeia mais flexível e dependendo dos tipos de ligações formadas e grupos presentes na sua estrutura, essas macromoléculas poderão apresentar conformação de cadeia enovelada ou em hélice (Milas, 1991).

Estudos feitos com filmes de heparina (polieletrólito forte) e quitosana (polieletrólito fraco), mostraram que camadas formadas por heparina se apresentaram mais finas para todos os valores de pH estudados. Isso ocorreu porque a heparina é um poliânion forte, que se mantêm ionizada em uma ampla faixa de pH, portanto, gera repulsão entre suas cargas, o que torna a cadeia mais estendida e gera a formação de camadas mais finas. A quitosana, por outro lado, em altos valores de pH forma

camadas mais espessas. Quando a quitosana apresenta-se em meio básico, seus grupos aminos são desprotonados, há a redução da densidade de cargas e sua cadeia se torna mais flexível, podendo enovelar-se. Por outro lado, em meio ácido grande parte dos grupos funcionais da quitosana se mantêm carregados e sofrem repulsão entre suas cargas, tornando a cadeia mais estendida (Boddohi et al, 2008).

A força iônica de uma solução de polieletrólito também influencia na conformação de suas cadeias e na interação entre os grupos funcionais carregados nas macromoléculas. Ao adicionar, por exemplo, uma determinada quantidade de um sal (eletrólito) em uma solução de polieletrólito, aumenta-se a quantidade de contra- íons em solução. Os contra-íons blindam os sítios funcionais carregados na cadeia do polieletrólito, essa blindagem faz com que o polieletrólito apresente um caráter de macromolécula neutra, portanto, com o aumento da concentração de contra-íons em solução, o polieletrólito apresenta sua cadeia mais flexível e uma conformação de cadeia enovelada ou retorcida (Milas, 1991; Rmaile, 2004)..

Na Figura 6 é apresentado um esquema do efeito da adição de um sal (cloreto de sódio, por exemplo) na conformação de um polieletrólito aniônico em solução(Rmaile, 2004).

Figura 6: Esquema mostrando o efeito da força iônica na forma de um polieletrólito aniônico em

solução. Fonte: Adaptado de Rmaile, 2004.

Para se produzir materiais compósitos formados por complexos de polieletrólitos e poder estudar e entender suas propriedades, e principalmente as interações que ocorrem entre as macromoléculas ou entre macromoléculas e eletrólitos, uma técnica que chama a atenção é a técnica de layer-by-layer. Ela permite alterar as condições de preparo e operação durante a produção do material, dentre algumas condições que podem ser alteradas, pode-se citar: concentração dos componentes, pH do hidrogéis e soluções, número de camadas formadas, ordem de formação das camadas dos diferentes componentes (Bertrand et al, 2000; Leite et al.,

2014; Nogueira et al., 2010; Schönhoff, 2003). Essa técnica será discutida com mais detalhes na seção seguinte.