Caracterização de Polimeros Inteligentes Para Aplicações Biomedicas

Maria Carolina Morando Costa

MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA BIOMDICA

FACULDADE DE CINCIAS E TECNOLOGIA

UNIVERSIDADE DE COIMBRA

Caracterizao de Polmeros Inteligentes para

Aplicaes Biomdicas

Dissertao apresentada Universidade de Coimbra para

cumprimento dos requisitos necessrios obteno do grau de

Mestre em Engenharia Biomdica, realizada sob a orientao do

Professor Doutor Filipe Antunes.

Setembro 2012

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Agradecimentos

No final de mais uma etapa crucial na minha vida, depois de um

percurso com bastantes altos e baixos, esta a prova de mais

uma histria com um final feliz, citando as palavras do

Professor Miguel Morgado, a quem desde j agradeo por todos

os esforos dedicados ao curso de Engenharia Biomdica em

Coimbra e o interesse pelos seus alunos; para alm de professor

revela-se tambm um amigo.

Um Muito Obrigado, ao Professor Doutor Filipe Antunes,

orientador do meu Projeto de Mestrado, pelo crdito e confiana

depositados em mim, pelos sbios conselhos e por me ter dado a

oportunidade de aprender e de trabalhar no seio de um grupo de

excelncia.

Ao Fafe, importante ser e colega no Departamento de Qumica,

agradeo todo o apoio e pacincia que me ajudaram a dar

facilmente os primeiros passos num mundo que j pensava

quase desconhecido.

Agradeo tambm ao Professor Jorge Coelho e Rose Cordeiro, do

Departamento de Engenharia Qumica, pelo seu precioso tempo

e disponibilizao dos polmeros necessrios realizao do

projeto; ao Professor Antnio Ribeiro pela autorizao de uso do

equipamento de DLS existente na Faculdade de Farmcia, e

Ana Cludia, pela disponibilidade e ajuda prestadas na

introduo tcnica.

Reservo agora um espacinho para todos aqueles que foram

importantes ao longo destes anos de faculdade, e os quais no

poderiam passar em branco:

Aos P&T, um grupo de amigos fantstico que nasceu em

Coimbra e sem os quais o meu percurso acadmico no teria tido

metade do interesse. Um grupo cheio de personalidades que em

nada se assemelham e que em conjunto o tornam to especial.

Um obrigado a todos pela amizade, pelo apoio nos momentos

difceis e sobretudo pela presena nos momentos importantes da

minha vida.

Ao Duarte, meu namorado e grande amigo, a quem tive o prazer

de conhecer nesta cidade de encantos, um obrigado pelos

sorrisos partilhados em todas as vitrias e pela mo estendida

nos momentos mais difceis, sem a qual se tornaria difcil por

vezes manter-me de p.

Por fim, agradeo com todo o meu corao minha famlia, cuja

dedicao e apoio foram sempre incondicionais, e sem os quais

no me teria sido permitido chegar at aqui, com toda uma

bagagem de boas experincias que me ajudaram a crescer e a

definir objetivos, fazendo de mim o que sou hoje!

OBRIGADO a todos!

Nas grandes batalhas da vida,

o primeiro passo para a vitria

o desejo de vencer.

Mohandas Ghandi

Resumo

Este trabalho baseado no estudo de polmeros termossensveis

para o seu uso como sensores de temperatura na superfcie da

pele do beb.

De acordo com alguns pediatras, a temperatura da pele do beb

pode variar entre os 35C e os 37,8C. Normalmente, eles

apresentam uma temperatura superior de um adulto, uma vez

que ainda no so capazes de regular bem a temperatura

corporal. importante a monitorizao constante da sua

temperatura e, principalmente, verificar se esta se encontra

acima dos 37,8C. Para este estudo foram escolhidos dois

polmeros que, quando em soluo, respondem dramaticamente

a mudanas de temperatura e, como tal, podem servir como

sensores de temperatura.

Os polmeros exibem uma temperatura crtica denominada LCST

(low critical solution temperature); um aumento de temperatura do

sistema diminui a solubilidade do polmero em gua devido

alterao da polaridade e consequente predominncia das

interaes hidrofbicas. A LCST definida como a temperatura

acima da qual o polmero sofre uma transio de fase de um

estado de completa dissoluo em gua (cadeia linear estendida)

para um estado insolvel em gua (cadeia compactada em forma

de glbulo). Quando a soluo do polmero atinge a LCST

observada uma alterao na turbidez da soluo, devido

agregao polimrica.

Os polmeros tm uma LCST perto dos limites de temperatura

normais do corpo humano. O principal objetivo deslocar essa

temperatura para valores prximos de 38C, por forma a

poderem ser usados como sensores de febre.

Os polmeros usados foram o PNIPAM e o PDMAEMA e o seu

comportamento em soluo aquosa foi caracterizado atravs de

estudos reolgicos, espectroscpicos e de disperso dinmica de

luz (DLS).

Existe uma forte relao entre o tamanho dos agregados,

turbidez e viscosidade das solues. Aumentando a

temperatura, aumenta o tamanho das partculas, devido

formao de agregados, assim como a viscosidade, devido

formao de uma rede tridimensional essencialmente alicerada

por associaes hidrofbicas, e a soluo torna-se turva como

resultado da luz dispersa pelos largos agregados.

O ajuste da LCST dos polmeros em soluo , neste trabalho,

efetuada atravs da adio de co-solventes, sais e surfatantes,

bem como atravs de alteraes de concentrao e peso

molecular.

Abstract

This work is based on the study of thermoresponsive polymers

for their use as thermosensors on baby's skin.

According to some pediatricians the baby skins temperature

could vary from 35C to 37.8C. They are a little warmer than

adults, because they do not regulate their temperature so well. It

is important to constantly monitor their temperature and

particularly to check if the temperature is above 37.8C.

For this study, we chose two polymers that respond

tremendously to temperature changes and that can be used as

thermosensors. They exhibit a LCST (low critical solution

temperature); an increase in temperature decreases the solubility

of the polymer in water due to changes in polarity and

consequently predominating hydrophobic associations. LCST is

defined as the temperature at which the polymer solution

undergoes a phase transition from a completely soluble state in

water (a random coil form) to an insoluble state (collapsed form

of the polymeric chain). When the polymer solution is reaching

the LCST a change in the turbidity of the solution can be

observed, due to polymeric aggregation.

The polymers have their LCST near the limits of a normal

human body temperature and the main aim is to shift these

critical temperatures to around 38C for using them as fever

sensors.

The polymers used in this work were PNIPAM and PDMAEMA,

and their behavior in aqueous solution was mainly driven by

rheological, spectroscopy and dynamic light scattering (DLS)

studies.

There is a strong relationship between particle size, turbidity and

shear viscosity. By heating the systems, the particle size

increases, because of cluster formation, as well as the viscosity

due to the formation of 3D network mainly sustained by

hydrophobic associations, and the solution becomes cloudy as a

result of the scattered light induced by the large aggregates.

In this work, the adjustment of the LCST of the polymers in

solution is made by the addition of co-solvents, salts and

surfactants, as well as changes in concentration and molecular

weight.

Lista de Abreviaturas

CTAB Brometo de Cetiltrimetilamnio

cac Concentrao de agregao crtica

cmc Concentrao micelar crtica

HCl cido clordrico

LCST Temperatura de soluo crtica mnima

LGTT Temperatura de gel crtica mnima

KSCN Tiocianato de potssio

NaOH Hidrxido de sdio

NaCl Cloreto de sdio

PEO Polioxietileno

PNIPAA Poli-N-isopropilacrilamida

PDMAEMA Poli-2-dimetilaminoetil metacrilato

SDS Dodecil Sulfato de Sdio

UCST Temperatura de soluo crtica mxima

UGTT Temperatura de gel crtica mxima

ndice

ndice de Figuras ................................................................................ i

ndice de Tabelas .............................................................................. iii

ndice de Grficos ............................................................................ iv

1. Introduo ...................................................................................... 1

1.1. Polmeros Inteligentes ............................................................3

1.2. Polmeros Termossensveis ....................................................8

1.2.1. Polmeros com comportamento do tipo LCST ............ 10

1.2.2. Poli-N-isopropilacrilamida ........................................... 13

1.2.3. Poli-2-dimetilaminoetil metacrilato ............................. 15

1.2.4. Mecanismos propostos para explicar a transio de

fase ............................................................................................ 17

1.3. Co-solutos que alteram as propriedades dos polmeros ... 21

1.3.1. Sais .................................................................................. 21

1.3.2. Surfatantes ...................................................................... 23

2. Experimental................................................................................ 25

2.1. Materiais ................................................................................ 25

2.2. Tcnicas ................................................................................. 26

2.2.1. Mtodo de preparao das amostras ........................... 27

2.2.2. Espectrofotometria UV-Visvel ..................................... 28

2.2.3. Reologia .......................................................................... 29

2.2.4. Disperso Dinmica da Luz (DLS) ............................... 34

3. Resultados e Discusso ............................................................... 38

3.1. Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da

temperatura ................................................................................. 38

3.1.1. Influncia do peso molecular e concentrao em

soluo ...................................................................................... 43

3.1.2. Influncia do pH do meio ............................................. 48

3.1.3. Influncia da adio de aditivos e co-solventes na

temperatura crtica .................................................................. 50

3.2. Turbidez das solues em funo da temperatura ............ 60

3.3. Dimenso das partculas em funo da temperatura ........ 62

3.4. Propriedades viscoelsticas ................................................. 65

3.5. Reprodutibilidade do sistema PNIPAM-gua ................... 69

4. Concluso ..................................................................................... 70

Referncias ....................................................................................... 73

i

ndice de Figuras

Figura 1. Diagramas de fase de solues polimricas no plano temperatura-

concentrao. a) diagrama do tipo UCST; b) diagrama do tipo LCST.14 ............ 9

Figura 2. Estrutura de polmeros que apresentam LCST. (a) Poli(N-

isopropilacrilamida (PNIPAM); (b) Poli(N,N-dietilacrilamida) (PDEAAm); (c)

Poli(dimetilaminoetil metacrilato) (PDMAEMA); (d) Poli(N-(L)-(1-hidroximetil)

propilmetacrilamida) (PHMPMAA).3 ............................................................. 10

Figura 3. Comportamento termossensvel em soluo aquosa; "Coil-to-gloube

transition". ................................................................................................... 11

Figura 4. Estrutura qumica do poli(N-isopropilacrilamida).3 .................................. 13

Figura 5. Grupos oxietileno a baixas temperaturas (A) e a altas temperaturas (B).1120

Figura 6. Srie de Hofmeister. ................................................................................ 21

Figura 7. Trs interaes bsicas envolvidas no efeito de Hofmeister. (a)

polarizao das molculas de gua que hidratam os grupos amida; (b) a

tenso de superfcie tem efeitos na hidratao hidrofbica das

macromolculas e pode ser modelada pela adio de sais; (c) interao direta

do anio com os grupos amida.41 .................................................................. 22

Figura 8- Estrutura de um surfatante aninico. ...................................................... 23

Figura 9. Estrutura do modelo pearl-necklace para os complexos polmero-

surfatante.47 ................................................................................................. 24

Figura 10. Esquema ilustrativo da incidncia de luz sobre a amostra. .................... 28

Figura 11. Fluido Newtoniano. Tenso de deformao () em funo da taxa de

deformao (D).11 ......................................................................................... 30

Figura 12. Modelo de duas placas usado por Newton. F- fora (deformao)

aplicada; A-rea das placas; h espao entre as placas e U viscosidade com

que a placa superior se move.51 .................................................................... 30

Figura 13. Limite do comportamento de fludos Newtonianos.51

........................... 31

Figura 14. Sistema de cone e prato; o ngulo entre o cone e o prato e r o raio

de ambos.49 .................................................................................................. 32

ii

Figura 15. Dimetro hidrodinmico.54

.................................................................... 34

Figura 16. Flutuaes de intensidade ao longo do tempo como resultado da

disperso de luz por parte das partculas contidas na amostra.59

.................. 35

Figura 17. Soluo de 5wt% de PDMAEMA(11k) a pH=9,1. Dependncia da

viscosidade Newtoniana do em funo da temperatura. Turbidez da soluo

aquosa de PDMAEMA abaixo (A) e acima (B) da LCST. .................................. 39

Figura 18. Soluo de 5wt% de PNIPAM(39k). Dependncia da viscosidade

Newtoniana em funo da temperatura. Turbidez da soluo aquosa de

PNIPAM abaixo (A) e acima (B) da LCST. ....................................................... 40

Figura 19. Ilustrao do comportamento de fase do tipo LCST. .............................. 41

Figura 20. Efeito da qualidade do solvente na configurao do polmero.51 ........... 50

Figura 21. Efeito de vrios lcoois na LCST do PNIPAM.62 ....................................... 53

Figura 22. Ciclos de subida e descida da temperatura usando a mesma soluo de

PNIPAM(20k) de 5wt%. a) e c) representam as subidas e b) e d) representam

as descidas. Os grficos foram obtidos pela ordem alfabtica representada,

com velocidades de aquecimento e arrefecimento iguais (1C/3min). ......... 69

iii

ndice de Tabelas

Tabela 1. Classificao da forma fsica das cadeias polmricas e os diferentes tipos

de resposta.3,11

................................................................................................ 6

Tabela 2. Pesos moleculares mdios (Mn) das amostras e respetivos ndices de

polidispersividade(Mw/Mn). .......................................................................... 25

iv

ndice de Grficos

Grfico 1. Efeito da variao do peso molecular do PNIPAM (solues de 5wt%).

Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura (subida

da temperatura). .......................................................................................... 43

Grfico 2. Efeito da variao do peso molecular do PDMAEMA (solues de 5wt%).


da temperatura). .......................................................................................... 43

Grfico 3. Efeito da variao da concentrao de PNIPAM(39k). Dependncia da

viscosidade Newtoniana em funo da temperatura (subida da temperatura).46

Grfico 4. Efeito da variao da concentrao do PDMAEMA(11k). Dependncia da

viscosidade Newtoniana em funo da temperatura (subida da temperatura).47

Grfico 5. Efeito da variao do pH da soluo de PDMAEMA(11k) (solues de

5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura

(subida da temperatura). .............................................................................. 48

Grfico 6. Efeito da variao do pH da soluo de PNIPAM(39k) (solues de

5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura.

(subida da temperatura). .............................................................................. 49

Grfico 7. Efeito da adio de diferentes concentraes de etanol soluo de

PNIPAM(39k) (5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da

temperatura (subida da temperatura). ......................................................... 51

Grfico 8. Efeito da adio de diferentes concentraes de etanol soluo de

PDMAEMA(19k) (5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo

da temperatura (subida da temperatura). .................................................... 51

Grfico 9. Efeito da adio de 2 sais diferentes soluo de PNIPAM(20k) (5wt%).


da temperatura). .......................................................................................... 54

Grfico 10. Efeito da adio de 2 sais diferentes soluo de PDMAEMA(19k).


da temperatura). .......................................................................................... 55

v

Grfico 11. Efeito da adio de diferentes concentraes de SDS soluo de


temperatura (subida de temperatura). ......................................................... 57

Grfico 12. Efeito da adio de diferentes concentraes de CTAB soluo de


temperatura (subida de temperatura). ......................................................... 58

Grfico 13. Transmitncia das amostras PNIPAM(20k) e PDMAEMA(11k).

Comprimento de onda selecionado: = 450 nm. .......................................... 60

Grfico 14. Variao do dimetro hidrodinmico das partculas (Dh) com o

aumento da temperatura. ............................................................................ 62

Grfico 15. Perfil de viscosidade Newtoniana, dimetro hidrodinmico das

partculas e transmitncia de luz da amostra com o aumento da temperatura

das solues. Solues de 5wt% PNIPAM(20k) para as medidas da

viscosidade Newtoniana e transmitncia de luz e de 1wt% para a obteno

do dimetro hidrodinmico das partculas.................................................... 63

Grfico 16. Perfil de viscosidade Newtoniana, dimetro hidrodinmico das

partculas e transmitncia de luz da amostra com o aumento da temperatura

das solues. Solues de 5wt% PDMAEMA(11k) para as medidas da

viscosidade Newtoniana e transmitncia de luz e de 1wt% para a obteno

do dimetro hidrodinmico das partculas.................................................... 64

Grfico 17. Mdulo elstico (G) e viscoso (G) em funo da frequncia para a

soluo de PNIPAM(20k) a: a) 30C(LCST). A imagem

mostra uma soluo lquida acima da LCST. .................................................. 65

Grfico 18. Mdulo elstico (G) e viscoso (G) em funo da frequncia para a

soluo de PNIPAM(39k) a: a) 30C(LCST). A imagem

mostra um gel acima da LCST........................................................................ 66

Grfico 19. Mdulo elstico (G) e viscoso (G) em funo da frequncia para: a)

34C(LCST). A imagem mostra uma soluo lquida acima

da LCST. ........................................................................................................ 67

1

Captulo 1

1. Introduo

O presente trabalho tem como objetivo o estudo e a

caracterizao de polmeros termossensveis, uma subclasse dos

polmeros inteligentes ou ambientalmente sensveis, para a

sua aplicao como possveis sensores de temperatura corporal

na pele do beb. O sistema pensado faz uso de um simples

mecanismo (mudana de cor), para atender a uma das grandes

preocupaes dos pais, indicando a ultrapassagem do valor

limite de temperatura considerado normal numa criana.

A ideia seria chegar a um produto final capaz de manter a

temperatura corporal da criana sob monitorizao contnua ao

longo do dia, incorporando um acessrio prtico, cmodo e com

algum nvel esttico ajustvel ao pulso. Poder ainda ter uma

segunda funcionalidade, servindo como pulseira de

identificao.

De acordo com alguns pediatras, a temperatura na pele de um

beb pode variar entre os 35C e os 37,8C. importante estar

atento s variaes de temperatura que ocorrem frequentemente

no corpo do beb, uma vez que o mecanismo de regulao

2

trmica, estando ainda em fase de maturao, no atua

corretamente. Um sintoma de febre detetado tardiamente e

atingindo um valor de 38,5C pode dar origem a sintomas como

vmitos e convulses febris.

O foco ser mantido numa possvel temperatura crtica (38C)

superfcie da pele do beb e a partir do qual indicado que este

apresenta sintomas de febre. A temperatura crtica estimada para

a pele do beb corresponder a uma temperatura crtica dos

polmeros em estudo, acima da qual sofrero uma transio de

fase reversvel, visvel a nvel macroscpico. Para alm disso,

importante perceber a relao estrutura-propriedades desta

classe de polmeros em soluo, de modo a ser possvel alterar a

temperatura crtica de forma desejada e obter um sistema

reprodutvel durante uma infinidade de vezes.

Tendo em conta a aplicao final deste trabalho, estaremos

interessados apenas em sistemas com um comportamento do

tipo LCST, temperatura acima da qual a soluo tomar um

aspeto branco opaco.

Atravs de uma cuidadosa seleo de solventes e aditivos ser

estudada a melhor forma de ajustar a temperatura para o valor

desejado.

3

1.1. Polmeros Inteligentes

Podemos afirmar que a vida polimrica na sua essncia se nos

lembrarmos que macromolculas como as protenas, os

polissacardeos e os cidos nuclecos constituem os principais

componentes de uma clula viva.1,2 Estes biopolmeros tm a

propriedade de adotar conformaes especficas consoante o

ambiente envolvente e formam a base em torno da qual a maior

parte dos processos biolgicos so controlados.3,4,5 O que torna

alguns biopolmeros particularmente interessantes a sua

sensibilidade na presena ou ausncia de estmulos externos.

Pequenas mudanas ambientais podem provocar uma resposta

dramtica do polmero.3,5 As suas respostas no lineares so

causadas por interaes altamente cooperativas.6 A compreenso

do mecanismo dessas interaes nos biopolmeros abriu

caminho para a possibilidade de tentar imitar o seu

comportamento em sistemas sintetizados em laboratrio.1,2,3

Polmeros sintticos foram desenvolvidos com vrias formas

funcionais para atender a aplicaes industriais e cientficas.1

Estes polmeros so geralmente solveis em gua, ou solues

aquosas (ex.: fludos biolgicos), e so geralmente conhecidos

como polmeros "inteligentes" dada a sua habilidade de

adaptao sob condies facilmente controladas, semelhana

dos biopolmeros, da a sua crescente atratividade nas reas da

biotecnologia e da medicina.1,7,6 A sua singularidade reside no

s nas mudanas rpidas que ocorrem a nvel macroscpico na

4

sua estrutura, mas tambm no carcter reversvel dessas mesmas

transies.2,3,6 A sua classificao feita de acordo com o

estmulo ambiental que induz a resposta (ex.: Termossensveis,

pH-sensveis), e por isso podem tambm ser chamados de

polmeros de "estmulo-resposta" ou polmeros "ambientalmente

sensveis".1,5 Os estmulos de maior importncia, sob o ponto de

vista biomdico, so o pH e a temperatura.2,3 O exemplo mais

comum de estmulo trmico a elevao da temperatura

corporal sob condies febris provocadas por pirogneos.8

Variaes de pH esto presentes no corpo humano, em

diferentes rgos, tecidos e compartimentos celulares, ou at

mesmo reas tumorais. Estas variaes tornam-se bvias no trato

gastrointestinal, onde o pH passa de cido (pH=2), no estmago,

a bsico (pH=5-8), no intestino.2,3 Sistemas que transitam de fase

sob condies fisiolgicas so propostos como potnciais

aplicaes em sistemas injetveis minimamente invasivos.

Outros estmulos comuns so ainda, a fora inica, os campos

eltrico e magntico, a luz na regio UV-visvel, as biomolculas

e a concentrao de eletrlitos ou glicose, entre outros.1,2,3,4,5,6,9,10

Muitas vezes, dois ou mais estmulos podem ainda ser

combinados.5,9 Dada a ampla gama de estmulos possveis, existe

tambm uma vasta gama de aplicaes para este tipo de

polmeros, incluindo sistemas de (bio)sensores ou atuadores

biomimticos, sistemas de libertao controlada de agentes

teraputicos (frmacos ou genes), engenharia de tecidos

(scaffolds), superfcies termossensveis, dispositivos de

5

bioseparao, bioconjugados, novos biocatalisadores

imobilizados e suportes para cultura de clulas.1,2,3,5,6,10

A estrutura qumica das cadeias polimricas importante para

conhecer o tipo de resposta macroscpica, e a sua configurao

em soluo depende da relao entre as interaes polmero-

polmero e polmero-solvente (tabela 1).1,5,11

Polmeros ambientalmente sensveis podem apresentar um

comportamento de gel reversvel, transio sol-gel, quando o seu

peso molecular e concentrao em soluo so suficientes para

que seja formada uma rede tridimensional. Hidrogel o nome

frequentemente atribudo a gis polimricos cujo solvente a

gua. 7

Hidrogis fsicos tm uma importncia diferente dos hidrogis

qumicos. Enquanto os primeiros formam redes transientes que

podero ser extinguidas por adio de aditivos, sendo assim

teis para aplicaes onde se pretende essa reversibilidade, os

hidrogis qumicos mantm a sua integridade por perodos

normalmente maiores, no so reversveis e necessitam de um

iniciador para a reao. Os hidrogis fsicos so facilmente

injetveis e tm uma frmula farmacutica mais simples, por

dissoluo, revelando-se vantajosos em relao aos hidrogis

qumicos.12

Hidrogis fsicos formados por polmeros inteligentes sofrem

rpidas mudanas reversveis na sua microestrutura. Para tal,

requerido um apropriado balano hidroflico/hidrofbico na

estrutura molecular do polmero para que a transio de fase

6

ocorra.6 Cadeias lineares em soluo passaro de um sistema

monofsico a um sistema bifsico, devido ao colapso do

polmero aps a aplicao de um estmulo externo.1,3 Algumas

solues polimricas sofrem uma transio sol-gel que

acompanha a separao de fase.5,12

Tabela 1. Classificao da forma fsica das cadeias polmricas e os diferentes tipos de resposta.3,11

A presente dissertao foca a classe de polmeros com

capacidade para responder a variaes de temperatura, um

estmulo simples de aplicar. Dentro desta classe foram estudados

dois polmeros pertencentes famlia dos polmeros de

acrilamida N-substituda, o Poli-N-isopropilacrilamida

(PNIPAM) e o Poli-2-dimetilaminoetil metacrilato (PDMAEMA).

7

Ambos so homopolmeros lineares, sendo que o PDMAEMA

tem uma resposta temperatura dependente do pH do meio.

8

1.2. Polmeros Termossensveis

Polmeros termicamente sensveis sofrem uma transio de fase,

a uma determinada temperatura de soluo crtica, o que reflete

rpidas alteraes no estado de solubilidade. 2,3

As solues aquosas destes polmeros podem exibir uma fase

(estado isotrpico) abaixo da temperatura de soluo crtica, e

duas fases acima desta (estado anisotrpico), sendo geralmente

conhecida como temperatura de soluo crtica mnima (LCST,

na sigla inglesa). Por outro lado, solues polimricas que se

apresentam monofsicas acima da temperatura de soluo crtica

e bifsicas abaixo desta, exibem uma temperatura de soluo

crtica mxima (UCST, na sigla inglesa).2,3,10,13,14

Os dois tipos de comportamento referidos podem ser explicados

atravs da termodinmica, considerando a equao da energia

livre de Gibbs ( ).3,10,11 Em causa, est o balano

entre os efeitos hidrofbicos e o estado de ordem das molculas

de gua nas proximidades do polmero.2 A transio de fase ocorre

quando variaes de entalpia e entropia da mistura resultam em valores

negativos de .15 O termo entlpico ( ) est relacionado com as

interaes entre o polmero e o solvente, favorecendo a dissoluo do

polmero, enquanto o termo entrpico ( ) se relaciona com as

interaes hidrofbicas, levando precipitao do mesmo. 2,3,10,12

Assim sendo, de notar que um comportamento LCST um processo

entrpico, j um comportamento UCST um processo entlpico. 10

9

Figura 1. Diagramas de fase de solues polimricas no plano temperatura-concentrao. a) diagrama do tipo UCST; b) diagrama do tipo LCST.14

Os hidrogis correspondentes possuem transies semelhantes,

sendo as temperaturas de gel crticas mnima e mxima as LGTT

e UGTT, nas respetivas siglas inglesas. 2

Sistemas do tipo LCST e UCST no se restringem a solues

aquosas, contudo as aplicaes de interesse biomdico so

direcionadas para o uso destes polmeros em ambientes

fisiolgicos, sendo por isso os mais estudados.2

10

1.2.1. Polmeros com comportamento do tipo LCST

A famlia dos polmeros de acrilamida N-substituda o grupo

mais representativo de polmeros que apresentam LCST (Figura

2), entre os quais o PNIPAM o polmero mais estudado, por

apresentar uma temperatura crtica entre a temperatura

ambiente e a temperatura corporal humana.3,10

Figura 2. Estrutura de polmeros que apresentam LCST. (a) Poli(N-isopropilacrilamida (PNIPAM); (b) Poli(N,N-dietilacrilamida) (PDEAAm); (c)

Poli(dimetilaminoetil metacrilato) (PDMAEMA); (d) Poli(N-(L)-(1-hidroximetil) propilmetacrilamida) (PHMPMAA).3

Os polmeros representados apresentam LCSTs de: (a) 33C, (b)

26-35C, (c) 32C-53C e (d) 30C.2,3,10,16,17 Os monmeros que os

constituem que lhes conferem as caractersticas LCST em meio

aquoso. Alterando a composio do polmero atravs da

incorporao de monmeros mais hidroflicos ou mais

hidrofbicos, consegue-se uma deslocao da LCST das solues

para temperaturas mais ou menos elevadas. 15

As solues aquosas deste tipo de polmeros so caracterizadas

por um comportamento de dissoluo inverso e

11

termorreversvel, acompanhado pelo aumento da turbidez da

soluo, quando aquecidas acima de uma determinada

temperatura. 10,11,18,19 Aparentemente, a baixas temperaturas, as

solues so homogneas e transparentes, tornando-se opacas

quando a temperatura excede a LCST.1,2

Abaixo da LCST as cadeias apresentam-se em conformaes

estendidas, rodeadas pelo solvente, predominando as interaes

hidroflicas entre o polmero e o solvente. Acima da LCST a

transio acompanhada pela desidratao das cadeias que

passam a estar completamente empacotadas em forma de

glbulos, devido ao crescente pronunciamento das interaes

hidrofbicas.20 Por esta razo, geralmente denominada de coil-

to-globule transition (Figura 3).12

Figura 3. Comportamento termossensvel em soluo aquosa; "Coil-to-globule transition".

O efeito hidrofbico promove que haja agregao de vrios

glbulos com reduzida polaridade, quando em soluo aquosa.

Este efeito resulta na formao de agregados cujo tamanho

suficiente para dispersar a luz, causando a aparncia trbida.

12

A rapidez com que o mecanismo de resposta termorreversvel

estabelecido foi atribuda a duas etapas consecutivas. Em

primeiro lugar ao colapso das cadeias durante a transio coil-to-

globule, e em segundo lugar, agregao dos glbulos

resultantes.15,21 medida que as interaes hidrofbicas se

tornam predominantes o polmero precipita formando uma fase

inteiramente diferente, como um todo de agregados

polimricos.1,2 A formao de precipitado no ocorre sempre,

podendo ser substituda pela formao de um hidrogel caso a

concentrao e/ou Mw do polmero sejam suficientemente

elevados.

13

1.2.2. Poli-N-isopropilacrilamida

Figura 4. Estrutura qumica do poli(N-isopropilacrilamida).3

Os polmeros termossensveis mais estudados so as

poliacrilamidas, em especial o polinipam, ou simplesmente

PNIPAM.22,23,21 Existem outros polmeros solveis em gua que

exibem comportamento do tipo LCST, mas o PNIPAM continua

a ser o polmero com maior potencial em aplicaes biomdicas,

por exibir uma temperatura crtica (LCST) prxima da

temperatura corporal humana, entre 30-35C, embora seja muitas

vezes considerada na literatura como 33C.24,25,26

um homopolmero no inico que contm domnios

hidroflicos e hidrofbicos abaixo e acima da LCST. 22 Aps a

ocorrncia de precipitao, muitos dos grupos carbonil (83%)

ainda formam pontes de hidrognio com a gua.12 A separao

de fase acima da LCST reversvel e depende do balano

hidroflico-hidrofbico, passando instantaneamente de uma

soluo clara a uma soluo trbida.23,24

A solubilidade do PNIPAM temperatura ambiente devida s

pontes de hidrognio formadas entre os grupos amida

14

(RCONR2) e a gua. O aumento da temperatura para valores

prximos da LCST provoca o crescente rompimento dessas

ligaes, levando ao colapso gradual das cadeias. O carcter

hidrofbico do polmero torna-se cada vez mais pronunciado

com a contnua elevao da temperatura acima da temperatura

crtica, induzindo a associao das cadeias em agregados de

grandes dimenses. 21,24

15

1.2.3. Poli-2-dimetilaminoetil metacrilato

Figura 5. Estrutura qumica do poli(2-dimetilaminoatil metacrilato).3

O PDMAEMA um polmero cuja termossensibilidade

dependente do pH.27 Possui aminas tercirias ao longo da sua

cadeia que so protonadas em meio cido. 18,28 Ao contrrio do

PNIPAM, o PDMAEMA exibe separao de fase (do tipo LCST)

somente para uma determinada gama de pH.29 O seu pKa de

aproximadamente 7, o que indica que a pH=4 as aminas esto

praticamente todas ionizadas e o polmero completamente

solvel em gua, isto porque a repulso eletrosttica entre as

cargas geradas provoca uma rpida extenso da cadeia

polimrica.1,3,18 Para alm disso, a existncia de contraies

promove a solubilidade (efeito da entropia dos contraies) e um

aumento de presso osmtica que favorece o swelling do

polmero. Em solues neutras e bsicas o polmero passa a

exibir um comportamento termossensvel, apresentando uma

LCST entre 32C e 53C, dependendo do peso molecular do

16

polmero, pH do meio e concentrao de sal.18,27,30 O PDMAEMA

possui grupos oxietileno (-O(CH2CH2)), possivelmente

responsveis pela termossensibilidade do polmero, por

inverterem a sua polaridade com a variao de temperatura.11,31

Tal como acontece com o PNIPAM, o colapso das cadeias

polimricas seguido da agregao intermolecular dos glbulos

formados.

O PDMAEMA e os copolmeros de PDMAEMA esto entre os

polmeros anfiflicos mais importantes a nvel acadmico e

industrial. Podem interagir com frmacos polianinicos, enzimas

e DNA atravs de interaes eletrostticas, j que formam um

policatio em condies cidas ou neutras.27, 29 Para alm disso,

apresentam uma boa resposta pH/temperatura em soluo

aquosa, bastante til no design de sistemas de libertao

controlada de frmacos e genes.32

17

1.2.4. Mecanismos propostos para explicar a transio de fase

Tm sido feitos esforos para compreender melhor o

comportamento de transio de fase, e os parmetros que afetam

a LCST.33 Certos autores atribuem o colapso das cadeias

diminuio da polaridade de alguns segmentos polimricos com

a temperatura, enquanto outros defendem a existncia de uma

estrutura local nas molculas de solvente que rodeiam os grupos

hidrofbicos do polmero, induzindo alteraes no efeito

hidrofbico.15

Ainda existem muitas incertezas acerca da

solubilidade/insolubilidade do PNIPAM e dos demais

polmeros com comportamentos semelhantes. Contudo, existem

teorias que tentam explicar a natureza dessa separao de fase.

Kojima et al. introduziram recentemente o conceito de

hidratao cooperativa para tentar explicar a alta sensibilidade

do PNIPAM.34,35,36

18

Figura 6."pearl-necklace conformation"; Ligaes entre grupos isopropil formam glbulos colapsados; sequncias de pontes H so formadas devido

cooperatividade entre as molculas de gua mais prximas.37

A cooperatividade na hidratao das cadeias polimricas

causada pelo "sucesso" da ligao da primeira molcula de gua

com um grupo amida do polmero, facilitando a ligao da

molcula de gua seguinte e assim sucessivamente, causando o

deslocamento dos grupos isopropil (hidrofbicos) e criando

melhor acesso para a molcula seguinte. Esta ocorrncia

consecutiva leva a uma conformao da cadeia parecida com um

colar de prolas, conhecida como "pearl-necklace conformation"

como mostra a figura 4.34 Quando a soluo aquecida, cada

sequncia desidratada em grupo, resultando a rpida transio

de fase, caracterstica do PNIPAM.35

19

J outros autores, Sarkar e Hussain, defendem que as molculas

de gua formam uma estrutura rgida e local em redor dos

grupos metilo (-CH3) impedindo a interao entre os grupos

isopropil de cada monmero, o que leva total dissoluo do

polmero temperatura ambiente. Quando a temperatura

elevada acima da LCST, esta estrutura rgida das molculas de

gua quebra, os grupos hidrofbicos associam-se, levando a uma

consequente agregao intermolecular e a precipitao ou

gelificao (gel fsico reversvel).38,39

No caso de polmeros que possuam grupos oxietileno, como o

polietileno (PEO), uma alterao na polaridade da cadeia leva

separao de fase a elevadas temperaturas.11 Os grupos

oxietileno podem adoptar 25 configuraes rotacionais com

diferentes energias, das quais duas so polares e as outras 23 so

apolares.31 As configuraes de menor energia (polares) so

preferidas a baixas temperaturas e possuem um grande

momento dipolar. Com o aumento da temperatura outras

configuraes vo sendo favorecidas, com dipolos menores ou

mesmo ausentes. A interao com a gua menos favorecida,

reduzindo a hidratao do polmero e induzindo a associao

hidrofbica. 11,31

20

Figura 5. Grupos oxietileno a baixas temperaturas (A) e a altas temperaturas (B).11

Tal como o PEO e como j foi referido, o PDMAEMA possu

grupos oxietileno na sua estrutura, o que poder estar na origem

da sua termossensibilidade.

21

1.3. Co-solutos que alteram as propriedades dos polmeros

1.3.1. Sais

Hofmeister estudou o efeito da adio de sais a solues aquosas

de protenas.40 Estudo que levou a concluir que os anies,

presentes nos solutos inicos, em geral, tm um efeito bastante

mais pronunciado do que os caties.41

Figura 6. Srie de Hofmeister.

Os anies mais esquerda so conhecidos como cosmtropos ou

positivamente hidratados, enquanto aqueles que se encontram

mais direita so conhecidos como catropos ou negativamente

hidratados.41,42

Yanjie Zhang et al., atravs dos seus estudos com um dispositivo

microfluidico de gradientes de temperatura juntamente com

microscopia de campo-escuro, determinaram o mecanismo de

precipitao e agregao do PNIPAM, como resultado de

22

interaes com vrios anies. Esto 3 interaes envolvidas,

dependendo de condies como, efeitos da tenso superficial,

interao direta do anio com a macromolcula e a polarizao

das molculas de gua que hidratam os grupos amida.41,43

Figura 7. Trs interaes bsicas envolvidas no efeito de Hofmeister. (a) polarizao das molculas de gua que hidratam os grupos amida; (b) a tenso de superfcie tem efeitos na hidratao hidrofbica das macromolculas e pode ser

modelada pela adio de sais; (c) interao direta do anio com os grupos amida.41

As duas primeiras interaes esto envolvidas na precipitao

do polmero (a e b), efeito caracterstico dos ies cosmtropos

(ex: Cl-), enquanto a segunda est envolvida na solubilizao do

polmero (c), efeito caracterstico dos ies catropos (ex: SCN-

).41,43,44

Para este trabalho os dois sais usados foram o NaCl e o KSCN.

23

1.3.2. Surfatantes

Os surfatantes, tambm designados de tensioativos, so

compostos por duas partes, uma hidroflica (grupo polar) e uma

hidrofbica (apolar), e a sua classificao feita segundo os

grupos polares que os constituem.45

Figura 8- Estrutura de um surfatante aninico.

Assim podem ser classificados como: no-inicos, o grupo polar

no possui carga; catinicos, o grupo polar tem carga positiva;

aninicos, o grupo polar tem carga negativa e os zwiterionicos,

com propriedades combinadas de tensioativos inicos e no-

inicos.

Para muitos sistemas polmero-surfatante, as molculas de

surfatante so adsorbidas na cadeia do polmero formando

agregados micelares. Os complexos formados entre o polmero e

o surfatante so descritos pelo pearl necklace model como se

pode ver na figura 21.46,47 Este modelo consiste em

macromolculas decoradas com agregados micelares de SDS.

24

Figura 9. Estrutura do modelo pearl-necklace para os complexos polmero-surfatante.

47

A concentrao micelar crtica (cmc), a concentrao a partir da

qual se formam as micelas de surfatante livre em soluo. Na

presena de polmero essa mesma concentrao encontra-se um

pouco abaixo da cmc e recebe o desgnio de concentrao de

agregao crtica (cac).45 O SDS interage com o PNIPAM acima

do cac (0,69mM a 25C), para formar complexos carregados. 46

Em gua, a interao com os polmeros no-inicos geralmente

mais forte com os surfatantes aninicos do que com os

catinicos. Tal como para os sais, as explicaes sugeridas para

esta diferena baseiam-se no tamanho dos grupos polares e na

interao de cada io com a primeira camada de hidratao do

polmero, que favorecida com os anies.45

Neste trabalho foram usados o SDS, surfatante aninico, e o

CTAB, catinico.

25

Captulo 2

2. Experimental

2.1. Materiais

Foram sintetizadas e disponibilizadas, pelo Departamento de

Engenharia Qumica, quatro amostras de polmeros sensveis a

variaes de temperatura, duas de PNIPAM e outras duas de

PDMAEMA. Os pesos moleculares (Mn) e os ndices de

polidispersividade (Mw/Mn), obtidos atravs da cromatografia

de permeao em gel (GPC), esto indicados na tabela seguinte.

Tabela 2. Pesos moleculares mdios (Mn) das amostras e respetivos ndices de polidispersividade(Mw/Mn).

Amostras (Mn) (Mw/Mn)

PNIPAM (20k) 20,262 Da 3,40

PNIPAM(39k) 39,384 Da 1,56

PDMAEMA(11k) 11.651 Da 1,31

PDMAEMA(19k) 19.603 Da 1,41

Para efeitos de variao do pH da soluo de PDMAEMA, foram

usados HCl diludo (cido) e NaOH (base). Para fazer variar o

pH das solues, o ajuste foi feito atravs da adio de pequenos

26

volumes de NaOH/HCl e medindo seguidamente at se obter o

valor pretendido.

A fim de estudar efeitos na estabilidade dos dois polmeros em

soluo, em relao separao de fase, foram usados como

aditivos dois sais diferentes, um hidroflico (NaCl) e um

hidrofbico (KSCN), e como co-solvente o etanol (C2H5OH). No

caso dos sistemas com PNIPAM foram ainda usados dois tipos

de surfatantes, um catinico, CTAB (98,0% pureza, Sigma

Aldrich) e um aninico, o SDS (99% pureza, Sigma Aldrich).

2.2. Tcnicas

Neste trabalho as tcnicas usadas para o estudo do

comportamento de fase dos polmeros foram: a espectroscopia

UV-vis, importante para verificar que a transmitncia de luz de

cada amostra decresce quando se faz aumentar a temperatura do

sistema, devido disperso de luz causada pelos agregados

polimricos que se formam acima da LCST; a reologia, para

perceber o comportamento reolgico dos polmeros em soluo

aquosa, a pH diferente e na presena de aditivos; o DLS para

confirmar a presena de agregados hidrofbicos, sugerida pelo

aumento do dimetro hidrodinmico das partculas a

temperaturas acima da LCST.

De seguida ser explicado o modo como as amostras foram

preparadas, assim como os princpios de funcionamento de cada

tcnica evidenciada.

27

2.2.1. Mtodo de preparao das amostras

Nos testes de espectroscopia as solues dos dois polmeros

encontram-se a uma concentrao de 5wt% em gua destilada.

Primeiro pesada a massa de polmero necessria e em seguida

colocada gua destilada at perfazer o volume total

estabelecido. Para todas as tcnicas, as amostras so sempre

agitadas at dissoluo total do polmero.

Nos testes reolgicos o procedimento o mesmo para os

sistemas contendo apenas o polmero e gua destilada. Quando

se adicionam concentraes pequenssimas de aditivos, como no

caso dos sais e surfatantes em que as concentraes esto abaixo

de 1wt%, por uma questo de facilidade na pesagem, primeiro

so pesadas as massas do sal/surfatante e s depois

adicionado o polmero e a gua, na ordem j referida. No caso

dos lcoois, pesada a massa de polmero, em seguida usada

uma pipeta adequada para a quantidade de lcool calculada e o

volume restante preenchido com gua destilada.

Para os testes de DLS, o procedimento o mesmo que o

explicado inicialmente, apenas usada uma concentrao mais

baixa de 1wt%.

28

2.2.2. Espectrofotometria UV-Visvel

A espectrofotometria um mtodo analtico que se baseia na

interao da matria com a radiao eletromagntica (luz).

Figura 10. Esquema ilustrativo da incidncia de luz sobre a amostra.

A cor das amostras (luz transmitida) deve-se absoro e/ou

disperso, de certos comprimentos de onda constituintes da luz

branca e/ou UV.

A transmitncia de luz de cada amostra, a diferentes

temperaturas, foi medida usando o Shimadzu UV-VIS

Spectrophotometer, UV-2450. Para a realizao dos grficos foi

escolhido um comprimento de onda no intervalo do espectro de

luz visvel, por forma a acompanhar a linha de transmitncia do

mesmo comprimento de onda, antes, durante e aps a separao

de fase de cada amostra.

29

2.2.3. Reologia

A reologia a cincia que estuda o modo como a matria flui ou

se deforma sob determinadas condies de teste, e assenta sobre

as leis da viscosidade e da elasticidade propostas por Newton e

Hooke, respectivamente.48,49,50 Slidos e fludos (lquidos ou

gases), respondem de diferentes formas deformao, os

primeiros so caracterizados por uma resposta elstica, enquanto

os segundos seguem um fluxo viscoso. Os polmeros esto

includos numa ampla classe de fludos complexos e so

caracterizados pelas suas propriedades viscoelsticas.11 A

contribuio de cada componente, viscosa ou elstica, varia

consoante as condies de tenso, deformao e temperatura,

assim como da concentrao e distribuio de pesos

moleculares.48,51,52

Viscosidade de Fludos Newtonianos

A viscosidade uma propriedade quantificvel da deformao

de um lquido e definida como uma medida de resistncia ao

fluxo da matria.51

O comportamento mais simples, e o que ser abordado, o de

um Fludo Newtoniano. O modelo de Newton obedece a uma

relao linear entre a tenso e a taxa de deformao, em que a

constante de proporcionalidade a viscosidade, e esta depende

apenas de fatores como a temperatura e a presso.51

30

Figura 11. Fluido Newtoniano. Tenso de deformao () em funo da taxa de deformao (D).11

Este modelo segue o fluxo laminar simples. Se tivermos duas

placas, uma delas mvel (placa superior), com uma separao

constante entre elas, e esse espao for preenchido por um fluido,

existe uma variao linear da taxa de fluxo na direo de y, e

ento D igual em todas as direes.11,53

Figura 12. Modelo de duas placas usado por Newton. F- fora (deformao) aplicada; A-rea das placas; h espao entre as placas e U viscosidade com que a

placa superior se move.51

De acordo com a figura, podemos definir alguns parmetros

como:

Tenso de deformao, (Pa)

Deformao,

31

Taxa de deformao,

(s-1)

Todos os fludos se tornam no-Newtonianos, se a taxa de

deformao for suficientemente elevada (Figura 7). A gua um

solvente Newtoniano com uma viscosidade de 10-3 Pas.48 Para

que se observasse um comportamento do tipo no-Newtoniano

na gua, seriam necessrias velocidades na ordem de 1012 s-1.51

Figura 13. Limite do comportamento de fludos Newtonianos.51

Viscoelasticidade

A viscoelasticidade pode ser estudada atravs de testes

oscilatrios, medindo G (mdulo elstico) e G(mlulo viscoso).

Os dois limites de comportamento observados para sistemas

quase puros, so um lquido, quando G > G e a viscosidade

dinmica independente da frequncia, ou um gel elstico,

quando G > G, e a viscosidade dinmica decresce com a

frequncia.11

32

A dependncia da viscosidade Newtoniana, foi estudada em

funo da temperatura, usando o Thermo Scientific HAAKE

MARS III, com um sistema de medida de cone e prato (dimetro:

35 mm; ngulo: 1) (Figura 11) e configurao automtica do zero

(zero gap, espao entre a placa e o cone). Possui um reservatrio

de gua para controle de testes de temperatura, com largo

intervalo de seleo de temperaturas (-150C a 600C). O

HAAKE MARS III permite medir as propriedades viscoelsticas

das solues polimricas em funo da deformao,

alongamento, tempo, frequncia, tenso e temperatura. No

presente trabalho, as propriedades viscoelsticas dos dois

polmeros foram estudadas em funo da frequncia, para duas

temperaturas distintas, abaixo e acima da LCST de cada

polmero.

Figura 14. Sistema de cone e prato; o ngulo entre o cone e o prato e r o raio de ambos.49

33

Testes Rotacionais

Nos testes rotacionais de viscosidade vs. temperatura, a rampa

de temperaturas escolhida foi de 20-50C com uma velocidade de

aquecimento de 1C/3min.

A tenso aplicada s amostras de PDMAEMA e PNIPAM(20k)

foi de 1Pa. Para o PNIPAM(39k) a tenso usada foi de 10Pa. A

tenso aplicada s amostras escolhida tendo em conta a fluidez

observada das solues. Tenses mais baixas do que o necessrio

chegariam a um ponto em que o cone deixaria de conseguir

rodar sobre a amostra, surgindo valores negativos de

viscosidade e indicando que a tenso no a mais apropriada.

34

2.2.4. Disperso Dinmica da Luz (DLS)

A Disperso dinmica da luz (DLS), tambm conhecida como

Espectroscopia de Correlao Fotnica (PCS), uma tcnica

usada para medir o tamanho e a distribuio de tamanhos das

molculas ou partculas, na regio do submicron.54,55,56 Esta

tcnica aplicada a molculas dispersas ou dissolvidas num

lquido, entre as quais podero ser protenas, polmeros, micelas,

nanopartculas e colides, entre outras.54, 57

O princpio usado bastante simples e assenta em dois

pressupostos: todas as partculas em soluo seguem o

movimento Browniano, um movimento aleatrio causado pelo

choque com as molculas de solvente; o dimetro obtido o de

uma esfera que tem o mesmo coeficiente de difuso translacional

que a partcula a ser medida (figura 7).54,55

Figura 15. Dimetro hidrodinmico.54

35

A esfera definida pela rotao da molcula em todas as

direes com uma adicional camada de hidratao, modificada

pela facilidade que o solvente tem em atravessar tal volume.58 O

dimetro medido chamado de dimetro hidrodinmico e

refere-se facilidade que as partculas tm em difundir num

determinado fluido.54,55,58

A amostra contida na clula iluminada por um feixe laser e as

flutuaes da luz dispersa so detetadas a um determinado

ngulo conhecido, por um fotodetetor de alta sensibilidade.56,57

A intensidade da luz que detetada flutua a uma taxa que

depende do tamanho das partculas. Naturalmente partculas

mais pequenas movem-se mais rapidamente aquando do choque

com as molculas de solvente.54, 57

Figura 16. Flutuaes de intensidade ao longo do tempo como resultado da disperso de luz por parte das partculas contidas na amostra.

59

Quanto mais rapidamente as molculas difundirem, mais

rpidas sero as variaes de intensidade. A velocidade dessas

36

mudanas est diretamente relacionada com o movimento das

partculas. O coeficiente de difuso translacional dado pela

intensidade de luz dispersa em funo do tempo. Fatores como a

temperatura, a viscosidade do solvente, o tamanho da partcula e

a estrutura da sua superfcie, concentrao e tipo de ies no

meio, afetam o movimento das partculas. 55,56,58

Correlacionando as flutuaes de intensidade determina-se o

coeficiente de difuso translacional do movimento Browniano, e

obtm-se a distribuio de tamanhos da populao existente na

amostra atravs da relao de Stokes-Einstein:

Onde Dh o dimetro hidrodinmico da partcula, k a

constante de Boltzmann's, T a temperatura absoluta em graus

Kelvin, a viscosidade do solvente e D0 o coeficiente de

difuso translacional.54,55,58

No presente trabalho foi usado o DelsaTM Nano C Submicron da

Beckman Coulter, capaz de analisar amostras com concentraes

de 0.001% a 40% e de medir tamanhos inferiores a 1nm (0.6 nm

7 m). No necessita de grandes quantidades de amostra, sendo

o mnimo necessrio de 60 l.56 O sistema possui 3 ngulos de

deteo a 15, 30 e 165, o que permite determinar a distribuio

de tamanhos total das partculas, enquanto que, se consistisse

apenas de um ngulo fixo seria apenas possvel obter uma mdia

37

das distribuies num intervalo limitado de tamanhos.56,57 A

temperatura a que as amostras podem ser submetidas varia

entre os 15C 0.3C e os 90C 0.3C.56

38

Captulo 3

3. Resultados e Discusso

Na introduo foi dito que a resposta ao aumento da

temperatura, acima da temperatura crtica (LCST), atribuda ao

colapso individual das cadeias polimricas, seguido da

agregao dos glbulos resultantes. Esta proposio suportada,

no presente trabalho, por estudos reolgicos, espectroscpicos e

de disperso dinmica de Luz (DLS).

3.1. Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da

temperatura

Foram preparadas, inicialmente, solues de 2, 5 e 10% de cada

amostra de polmero para um volume total de 2 ml de soluo,

usando sempre a gua como solvente. Cada amostra foi

mergulhada num banho de gua quente, fazendo variar a

temperatura entre 20C a 50C, a fim de abranger um largo

intervalo que compreende os valores limite da temperatura

corporal humana. Para o PDMAEMA(11k), a transio de fase

foi verificada entre os 38C e os 39C, com um aumento da

turbidez da soluo, passando de um amarelo translcido a

39

opaco. Para o PDMAEMA(19k) a transio de fase revelou-se um

pouco mais baixa, entre os 37C e os 38C, dado que o aumento

do tamanho das cadeias polimricas em soluo reduz o espao

entre polmeros acentuando as interaes hidrofbicas . Para as

solues de PNIPAM, a transio foi verificada entre os 33C e os

34C, com um aumento de turbidez bastante mais acentuado,

passando de uma soluo completamente transparente a um

branco totalmente opaco. Em simultneo, foram obtidas as

curvas de dependncia da viscosidade Newtoniana com a

temperatura. Os resultados iniciais so mostrados nas figuras

seguintes.

Figura 17. Soluo de 5wt% de PDMAEMA(11k) a pH=9,1. Dependncia da viscosidade Newtoniana do em funo da temperatura. Turbidez da soluo

aquosa de PDMAEMA abaixo (A) e acima (B) da LCST.

0,001

0,01

0,1

1

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ewto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

PDMAEMA(11k)

A

B

40

Figura 18. Soluo de 5wt% de PNIPAM(39k). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura. Turbidez da soluo aquosa de PNIPAM

abaixo (A) e acima (B) da LCST.

Para temperaturas abaixo da LCST, as cadeias permanecem

estendidas e hidratadas pelas molculas do solvente, o que

indicado pela baixa viscosidade da soluo. Neste intervalo de

temperaturas a soluo permanece transparente e homognea. O

colapso das cadeias ocorre quando se atinge a temperatura

critica. Neste ponto, o espao ocupado pelas cadeias menor, o

que se traduz na diminuio da viscosidade e a soluo mantm-

se transparente.

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ew

ton

ian

a (P

a.s)

T (C)

PNIPAM(39k)

A

B

41

Figura 19. Ilustrao do comportamento de fase do tipo LCST.

A associao hidrofbica intermolecular das cadeias inicia

quando a temperatura ultrapassa a LCST, levando ao aumento

da viscosidade das solues, com a formao de largos

agregados. Nas curvas de PNIPAM, o fenmeno que ocorre

quando se atinge a LCST perfeitamente delineado. No caso do

PDMAEMA, o ponto exato onde ocorre a transio de fase no

to facilmente percetvel. Existe uma notria diferena de

comportamentos entre os dois polmeros em soluo. Enquanto

o PNIPAM revela uma resposta abrupta, imediatamente a seguir

LCST, no caso do PDMAEMA essa resposta dada de uma

maneira mais gradual, sugerindo mecanismos de transio de

fase diferentes. Na seco 1.2.4. foram abordados alguns

mecanismos propostos por alguns autores para a ocorrncia de

separao de fase. No caso do PNIPAM, a resposta pode ser

provocada pela quebra de uma estrutura rgida formada pelas

molculas de gua e em redor dos grupos metilo (-CH3),

42

permitindo associaes hidrofbicas abruptas entre os grupos

isopropil. As associaes hidrofbicas do PDMAEMA so mais

moderadas, sugerindo que o mecanismo possa ser devido

rotao gradual dos grupos oxietileno.

43

3.1.1. Influncia do peso molecular e concentrao em soluo

Grfico 1. Efeito da variao do peso molecular do PNIPAM (solues de 5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura (subida da

temperatura).

Grfico 2. Efeito da variao do peso molecular do PDMAEMA (solues de 5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura (subida da

temperatura).

No caso das solues de PNIPAM, o peso molecular tem uma

notvel influncia na viscosidade do polmero, diferindo quase

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ewto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

PNIPAM(39k)

PNIPAM(20k)

0,001

0,01

0,1

1

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ewto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

PDMAEMA(11k), pH=9,1

PDMAEMA(19k), pH=8,2

44

por um fator de 100. Quanto maior o peso molecular, mais

elevada ser a viscosidade da soluo e maior ser a

probabilidade de ocorrncia de uma transio sol-gel. Com o

aumento do peso molecular do polmero o espao entre as

cadeias reduz-se, possibilitando um maior nmero de

associaes hidrofbicas entre elas e conduzindo formao de

um gel fsico (rede tridimensional reticulada). No que toca

LCST do polmero, esta mantm-se muito prxima, no sendo

notvel alguma dependncia com o peso molecular. De acordo

com a literatura, alguns autores afirmam que a LCST das

solues de PNIPAM independente do peso molecular,

enquanto outros afirmam ser diretamente dependente ou ainda

inversamente dependente do peso molecular.26 As diferenas

revelam-se particularmente notveis quando se comparam

resultados de amostras com pesos moleculares elevados com

amostras de pesos moleculares relativamente baixos (Mw

45

deslocada para um valor mais baixo, que neste caso varia de -

1C. J a viscosidade da soluo mantem-se dentro dos mesmos

valores. Estes dados podero significar que o 5wt% de PNIPAM

39kDa superior concentrao crtica, ou seja, concentrao

onde se inicia o regime semi-diludo e as cadeias se comeam a

entrelaar. Ao reduzir a Mw do polmero para 20kDa h uma

diminuio clara da viscosidade, possivelmente atribuda a uma

passagem para o sistema diludo. Nos sistemas com

PDMAEMA, a invarincia da viscosidade com o aumento da

Mw indicativo de que os sistemas esto ambos no regime

diludo.

No que diz respeito variao da concentrao das amostras em

soluo, para concentraes muito baixas de PNIPAM, os

glbulos resultantes da transio coil-to-globule formam tambm

agregados, s que estes so to pequenos que no conseguem

formar pontes entre eles, no se formando por isso uma

estrutura tridimensional. Para concentraes mais elevadas os

valores crescentes de viscosidade no apresentam variaes

significativas, e por isso foram sempre usadas solues com

concentraes de 5wt%, nos estudos decorrentes. A LCST

aparenta ser a mesma para qualquer das concentraes. Para o

PDMAEMA, a LCST diminui com o aumento da concentrao

em soluo. Havendo maior quantidade de polmero em

soluo, o nmero de associaes hidrofbicas cresce, ou seja, a

associao intermolecular aumenta, e o polmero transita de fase

46

a uma temperatura mais baixa. Posto isto, a viscosidade tambm

ser menor para concentraes mais baixas. Acima da LCST a

viscosidade aumenta com o aumento da concentrao de

polmero em soluo. A 2wt%, possivelmente no se formar

uma estrutura tridimensional na ntegra, existindo em soluo

apenas aglomerados de glbulos.

Grfico 3. Efeito da variao da concentrao de PNIPAM(39k). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura (subida da temperatura).

0,0001

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ewto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

2wt%

5wt%

10wt%

47

Grfico 4. Efeito da variao da concentrao do PDMAEMA(11k). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura (subida da temperatura).

0,0001

0,001

0,01

0,1

1

10

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ewto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

2wt%, pH=9,2

5wt%, pH=9,1

10wt%, pH=9,1

48

3.1.2. Influncia do pH do meio

Grfico 5. Efeito da variao do pH da soluo de PDMAEMA(11k) (solues de 5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura

(subida da temperatura).

O PDMAEMA um polmero que possui grupos ionizveis, em

meio cido, ao longo da estrutura da sua cadeia (aminas

tercirias). Dessa forma, o polmero solvel no intervalo de

temperaturas selecionado, a pH baixo. Esta boa relao do

polmero com a gua traduz-se numa impossibilidade de haver

gelificao, como se pode ver pela curva cuja soluo apresenta

um pH de 2,7: no verificada qualquer transio de fase.

medida que o pH aumenta acima de 7, um pequeno aumento na

viscosidade comea a ser evidenciado, tornando-se cada vez

mais pronunciado medida que o pH aumenta para valores

cada vez mais elevados de basicidade (pH=9,1). Dada esta

0,001

0,01

0,1

1

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ewto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

pH=9,1

pH=2,1

49

dependncia da resposta temperatura com o pH do meio,

evidente que medida que o pH aumenta e as aminas so

desprotonadas (polmero neutro), o aumento da hidrofobicidade

do polmero leva diminuio da LCST.

Grfico 6. Efeito da variao do pH da soluo de PNIPAM(39k) (solues de 5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura.

(subida da temperatura).

Relativamente ao grfico do PNIPAM, sendo um polmero

neutro, a LCST no varia com o pH. Existe apenas uma ligeira

diminuio da viscosidade da soluo a pH=1,4, que pode ser

explicada pela presena de uma quantidade mais elevada de ies

H+ e Cl-. Embora residualmente, estes ies competem pela gua,

levando desidratao parcial do polmero e consequente

diminuio de tamanho e de viscosidade.

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ewto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

pH=8,7

pH=1,4

50

3.1.3. Influncia da adio de aditivos e co-solventes na

temperatura crtica

A qualidade do solvente um importante parmetro, cujos

efeitos na viscosidade devem ser considerados.11, 51

Figura 20. Efeito da qualidade do solvente na configurao do polmero.51

Uma vez que o comportamento termossensvel depende das

interaes entre o solvente e o polmero e do balano

hidroflico/hidrofbico na estrutura do polmero, pretendemos

saber se determinados aditivos iro influenciar a localizao da

temperatura crtica. Sais, surfatantes e co-solventes presentes nas

solues aquosas de polmeros, causam alteraes nas interaes

polmero-solvente ou no balano hidroflico/hidrofbico do

polmero. Os surfatantes, por exemplo, so adsorvidos na

estrutura do polmero, gerando complexos polmero-surfatante

com propriedades distintas.2

51

3.1.3.1. Efeito da adio de co-solventes

Grfico 7. Efeito da adio de diferentes concentraes de etanol soluo de PNIPAM(39k) (5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da

temperatura (subida da temperatura).

Grfico 8. Efeito da adio de diferentes concentraes de etanol soluo de PDMAEMA(19k) (5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da

temperatura (subida da temperatura).

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

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ton

ian

a (P

a.s)

T (C)

0wt% etanol

10wt% etanol

100wt% etanol

0,001

0,01

0,1

1

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ewto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

0wt% etanol

5wt% etanol

10wt% etanol

52

Os resultados mostram que a presena de etanol faz aumentar a

viscosidade das solues de PDMAEMA a baixas temperaturas.

Este facto deve-se provvel grande compatibilidade entre o

etanol e o polmero, que promove um aumento do tamanho do

polmero na soluo e consequente aumento da viscosidade. A

temperaturas mais elevadas, a presena de etanol faz aumentar a

LCST, uma vez que o etanol torna o PDMAEMA mais estvel em

soluo. Para alm disso, a adio de etanol, um solvente menos

polar do que a gua, ir promover que as associaes

hidrofbicas no ocorram de um modo to forte como se o

solvente fosse gua, uma vez que a driving-force para a

associao hidrofbica ser menor quando o solvente tem menor

polaridade. Assim, a presena de etanol promove um aumento

da LCST por ser necessria uma temperatura mais alta e maior

hidrofobicidade nas molculas para se iniciar a construo das

pontes hidrofbicas inter-agregados. O valor mximo de

viscosidade obtido em solues com lcool sempre inferior ao

das solues sem lcool, pelo enfraquecimento que o lcool

promove nas interaces hidrofbicas. Um sistema com 10% de

etanol no apresenta qualquer LCST na gama de temperaturas

estudadas.

Com o PNIPAM, o efeito oposto. O PNIPAM mais solvel em

gua do que em etanol, facto sugerido pela diminuio da

viscosidade na presena de etanol, a baixas temperaturas. Ao

induzir a compactao do PNIPAM, o etanol est a desviar a

LCST para valores mais baixos. A adio de 10% de etanol, faz

53

deslocar a LCST da soluo pelo menos -9C. Na literatura, so

reportados casos semelhantes, mas com o uso de metanol como

co-solvente.35,61 A este fenmeno atribudo o nome de co-no-

solvncia, ou seja, dois solventes que so bons para o polmero

separadamente, tornam-se maus quando misturados.24 A

mistura voltar a tornar-se num bom solvente quando for

maioritariamente composta por etanol/metanol. Tanaka et al.

atribuem este peculiar comportamento competio pelas

interaes hidroflicas, entre a gua e o metanol, com o polmero.

35

Em geral, a adio de lcoois a solues de PNIPAM, diminui a

LCST.62 Quanto maior for a cadeia do lcool, mais rpido ser

esse decrscimo (Figura 15).

Figura 21. Efeito de vrios lcoois na LCST do PNIPAM.62

54

3.1.3.2. Efeito da adio de sais

Os eletrlitos so conhecidos por elevarem ou diminurem a

LCST dos polmeros, devido aos seus ies individuais e

habilidade que eles tm em alterar a estrutura das molculas de

gua nas proximidades do polmero.24, 41,44,62

A mesma concentrao de dois sais diferentes, cloreto de sdio

(NaCl) e tiocianato de potssio (KSCN), foi adicionada a

solues contendo PNIPAM(20k) e PDMAEMA(19k). Os dois

sais foram escolhidos por terem propriedades distintas, descritas

anteriormente. O SCN- mais hidrofbico do que o NaCl e tem

maior preferncia pela adsoro ao longo da cadeia polimrica.

Grfico 9. Efeito da adio de 2 sais diferentes soluo de PNIPAM(20k) (5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura (subida da

temperatura).

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ewto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

0wt% sal

0,5wt% NaCl

0,5wt% KSCN

55

Grfico 10. Efeito da adio de 2 sais diferentes soluo de PDMAEMA(19k). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da temperatura (subida da

temperatura).

A LCST de ambos os polmeros decresce na presena de NaCl,

enquanto que na presena de KSCN aumenta, com um efeito

muito mais pronunciado na soluo de PDMAEMA.

O SCN- menos estvel em gua do que o Cl- e adsorve ao longo

da cadeia polimrica. O polmero assim convertido num

polieletrlito que, embora muito fraco, possui cargas que o

mantm solvel em gua mesmo acima da LCST original. S

quando a cadeia polimrica est fortemente hidrofobizada que

o polmero compacta e colabora na construo da rede

tridimensional com base nas pontes hidrofbicas entre os

agregados. Dessa forma, a presena de um sal hidrofbico

desloca a LCST para valores superiores.

O NaCl um sal hidroflico e tem um papel oposto ao do KSCN.

O NaCl quando em soluo comete com o polmero pela gua,

causando uma desidratao parcial. Este efeito foi apresentado

0,0001

0,001

0,01

0,1

1

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Vis

cosi

dad

e N

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nia

na

(Pa.

s)

T (C)

0wt% sal

0,5wt% NaCl

0,5wt% KSCN

56

na literatura para explicar a diminuio do Cloud Point de

surfatantes no inicos.11 O NaCl conduz assim compactao

polimrica e consequente diminuio da LCST.

57

3.1.3.3. Efeito da adio de surfatantes inicos, no caso do PNIPAM

sabido, da literatura, que surfatantes aninicos como o SDS,

so capazes de solubilizar molculas polimricas em gua.25

Uma vez que a temperatura crtica da soluo de PNIPAM se

encontra abaixo da temperatura para a aplicao pretendida,

foram adicionadas diferentes quantidades de SDS com o objetivo

de deslocar a LCST para valores mais elevados.

Grfico 11. Efeito da adio de diferentes concentraes de SDS soluo de PNIPAM(39k) (5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da

temperatura (subida de temperatura).

A cac do SDS na presena de PNIPAM de 0,69 mM.46 As

concentraes de SDS no grfico esto acima desse valor (17-

24mM).

O surfatante atua como se fizesse parte do polmero, rodeando

os grupos hidrofbicos e tornando-o num polieletrlito, com

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

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e N

ewto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

0wt% SDS

0,5wt% SDS

0,6wt% SDS

0,7wt% SDS

58

uma conformao mais estendida. Da os valores de viscosidade

mais baixos. A LCST desloca-se para valores elevados com a

adio de SDS. Isso devido ao aumento do carcter hidroflico

do polmero.

Foram tambm usadas diferentes concentraes de um

surfatante catinico, o CTAB. A cac deste surfatante na presena

de PNIPAM de 7,6 mM a 25C.46

Grfico 12. Efeito da adio de diferentes concentraes de CTAB soluo de PNIPAM(39k) (5wt%). Dependncia da viscosidade Newtoniana em funo da

temperatura (subida de temperatura).

O efeito da deslocao da LCST para valores mais elevados

maior em sistemas com SDS, o que mostra que o PNIPAM

interage mais fortemente com o SDS do que com o CTAB.

Mesmo a baixas concentraes de SDS, o efeito verificado,

enquanto que em sistemas com CTAB so requeridas

concentraes mais elevadas. Como j foi referido na introduo,

as explicaes sugeridas baseiam-se no tamanho dos grupos

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Vis

cosi

dad

e N

ew

ton

ian

a (P

a.s)

T (C)

0wt% CTAB

0,5wt% CTAB

1wt% CTAB

5wt% CTAB

59

polares que os constituem e na interao de cada io com a

primeira camada de hidratao do polmero, que favorece a

interao com os surfatantes aninicos.

60

3.2. Turbidez das solues em funo da temperatura

O aumento da turbidez da soluo resultado da disperso da

luz por parte dos agregados formados acima da temperatura

crtica (LCST). Atravs da anlise espectroscpica de

transmitncia a diferentes temperaturas, dentro da regio de

comprimentos de onda do visvel, podemos facilmente observar

uma diminuio, na luz que atravessa a amostra, acima da LCST

de cada polmero.

Grfico 13. Transmitncia das amostras PNIPAM(20k) e PDMAEMA(11k). Comprimento de onda selecionado: = 450 nm.

Para a amostra de PNIPAM, a diminuio na transmitncia, a

uma temperatura imediatamente acima da LCST (35C), mais

evidente quando comparada com a amostra de PDMAEMA, que

0

10

20

30

40

50

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70

80

90

100

110

20 25 30 35 40 45 50 55

T(%

)

T(C)

PNIPAM(5wt%)

PDMAEMA(5wt%) (pH=9,1)

61

quase impercetvel a 40C. S para valores mais elevados da

temperatura que a diminuio na transmitncia se torna bem

evidenciada, podendo indicar um aumento da intensidade das

interaes hidrofbicas que levar formao de agregados cada

vez maiores.

62

3.3. Dimenso das partculas em funo da temperatura

Grfico 14. Variao do dimetro hidrodinmico das partculas (Dh) com o aumento da temperatura.

Ambas as curvas resultantes mostram que o tamanho das

partculas aumenta para valores acima da LCST. Pode perceber-

se ainda que existe uma diferena no comportamento de cada

um deles, que vai de acordo com os resultados evidenciados

anteriormente pela transmitncia de cada amostra. As partculas

de PNIPAM aumentam dez vezes o seu tamanho para valores

imediatamente acima da LCST, enquanto as partculas de

PDMAEMA aumentam cerca de seis vezes. A 45C, o tamanho

das partculas mximo, o que se mostra em concordncia com a

anlise feita anteriormente para as curvas de transmitncia.

A temperaturas mais elevadas, o tamanho das partculas de

ambos os polmeros comea a decrescer, devido ao carcter mais

hidrofbico dos polmeros que vai promover maior compactao

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

20 25 30 35 40 45 50 55

Dh

(nm

)

T(C)

PNIPAM(1wt%)

PDMAEMA(1wt%) (pH=9,2)

63

da rede formada. A temperaturas ainda mais elevadas ocorre

destruio do hidrogel, devido quebra de ligaes que unem os

agregados, devido compactao e aumento da distncia entre

eles.

Podemos ento afirmar, que existe uma forte relao entre o

tamanho das partculas, a turbidez das solues e o aumento da

viscosidade (grficos 15 e 16). Elevando a temperatura acima da

LCST, aumenta o tamanho das partculas devido formao dos

agregados polimricos, assim como a viscosidade, devido

formao de uma rede tridimensional, e a soluo torna-se turva

como resultado da luz dispersa pelos largos agregados.

Grfico 15. Perfil de viscosidade Newtoniana, dimetro hidrodinmico das partculas e transmitncia de luz da amostra com o aumento da temperatura das

solues. Solues de 5wt% PNIPAM(20k) para as medidas da viscosidade Newtoniana e transmitncia de luz e de 1wt% para a obteno do dimetro

hidrodinmico das partculas.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0.001

0.01

0.1

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10

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1000

10000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Di

me

tro

hid

rod

inm

ico

(n

m)

Vis

cosi

dad

e N

ew

ton

ian

a (P

a.s)

T (C)

Viscosidade Newtoniana

Dimetro

hidrodinmico

Transmitncia

100

75

50

25

0

Tran

smit

nci

a (%

)

64

Grfico 16. Perfil de viscosidade Newtoniana, dimetro hidrodinmico das partculas e transmitncia de luz da amostra com o aumento da temperatura das

solues. Solues de 5wt% PDMAEMA(11k) para as medidas da viscosidade Newtoniana e transmitncia de luz e de 1wt% para a obteno do dimetro

hidrodinmico das partculas.

0

200

400

600

800

1000

1200

0.001

0.01

0.1

1

10

100

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Di

me

tro

hid

rod

inm

ico

(n

m)

Vis

cosi

dae

Ne

wto

nia

na

(Pa.

s)

T (C)

Viscosidade Newtoniana

Dimetro

hidrodinmico

Transmitncia

100

75

50

25

0

Tran

smit

nci

a (%

)

65

3.4. Propriedades viscoelsticas

Para ambos os polmeros, foram estudadas as mudanas

estruturais da soluo durante a separao de fase, atravs de

testes oscilatrios (mdulos dinmicos: G e G), para duas

temperaturas, uma abaixo e outra acima da LCST.

Grfico 17. Mdulo elstico (G) e viscoso (G) em funo da frequncia para a soluo de PNIPAM(20k) a: a) 30C(LCST). A imagem mostra

uma soluo lquida acima da LCST.

0,000001

0,00001

0,0001

0,001

0,01

0,1

1

0,01 0,1 1

G',G

'' (P

a); |

*|

(Pa.

s)

f (Hz)

a)

G'

G''

|*|

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1

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0,01 0,1 1

G',G

'' (P

a); |

*|

(P

a.s)

f (Hz)

b)

G'

G''

|*|

66

Grfico 18. Mdulo elstico (G) e viscoso (G) em funo da frequncia para a soluo de PNIPAM(39k) a: a) 30C(LCST). A imagem mostra um

gel acima da LCST.

A soluo de PNIPAM(20k) um lquido Newtoniano para

ambas as temperaturas (G > G), enquanto a soluo B mostra

um comportamento Newtoniano abaixo da LCST e propriedades

0,00001

0,0001

0,001

0,01

0,1

1

10

0,01 0,1 1

G',G

'' (P

a); |

*|

(Pa.

s)

f (Hz)

a)

G'

G''

|*|

1

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1000

10000

0,01 0,1 1

G',G

'' (P

a); |

*|

(Pa.

s)

f (Hz)

b)

G'

G''

|*|

67

elsticas acima da LCST (G > G). Na figura B pode observar-se

o aspeto de gel que a soluo apresenta acima da LCST. Massas

moleculares, ou concentraes, mais elevados so requeridos

para que haja formao de um gel fsico.

Grfico 19. Mdulo elstico (G) e viscoso (G) em funo da frequncia para: a) 34C(LCST). A imagem mostra uma soluo lquida acima da

LCST.

0,000001

0,00001

0,0001

0,001

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0,1

1

0,01 0,1 1

G',G

'' (P

a); |

*|

(Pa.

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f (Hz)

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G',G

'' (P

a); |

*|

(Pa.

s)

f (Hz)

b)

G'

G''

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68

Para as amostras de PDMAEMA o G sempre maior que o G,

o que significa que a soluo tem um carcter lquido.

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3.5. Reprodutibilidade do sistema PNIPAM-gua

Figura 22. Ciclos de subida e descida da temperatura usando a mesma soluo de PNIPAM(20k) de 5wt%. a) e c) representam as subidas e b) e d) representam as descidas. Os grficos foram obtidos pela ordem alfabtica representada, com

velocidades de aquecimento e arrefecimento iguais (1C/3min).

Os ciclos de temperatura seguidos mostram que as solues de

PNIPAM mantm a sua integridade fsica depois de vrias

subidas e descidas de temperatura. portanto, um sistema

perfeitamente reprodutvel para ser usado como sensor de

temperatura, mantendo a credibilidade nas respostas.

As LCST nas curvas de descida indicam que a reversibilidade do

sistema quando em arrefecimento um pouco mais lento, com -

2C de diferena. Isto porque, presumivelmente, so formadas

pontes de hidrognio intramoleculares a elevadas temperaturas

(estado de glbulos), o que torna mais difcil a dissoluo do

polmero quando se torna a arrefecer o sistema.

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Captulo 4

4. Concluso

O estudo desenvolvido demonstra como a estabilizao das

solues dos dois polmeros podem ser afetadas por fatores

como a concentrao de polmero, o pH (no caso do

PDMAEMA) e a adio de sais, solventes, e surfatantes inicos.

Provou-se como estes fatores podem fazer deslocar a LCST para

valores desejados, consoante a exigncia de cada aplicao.

Para amostras de PNIPAM acima de 20kDa, o peso molecular

no influencia a LCST da soluo. No caso do PDMAEMA, a

LCST diminui com o aumento do peso molecular. Cadeias

maiores reduzem o espao ent

Caracterização de Polimeros Inteligentes Para Aplicações Biomedicas

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