Correlações entre estrutura química, super-estrutura ...

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MITSUKA MATSUI “CORRELAÇÕES ENTRE ESTRUTURA QUÍMICA, SUPER- ESTRUTURA MACROMOLECULAR E MORFOLOGIA DAS BLENDAS E REDES POLIMÉRICAS À BASE DE QUITINA E POLIURETANO” Tese de Doutorado apresentada como requisito parcial à obtenção do grau de Doutor em Engenharia, pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia, Área de Concentração: Engenharia e Ciências dos Materiais, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná. Orientadora: Profa. Dra. Leni Akcelrud CURITIBA 2007
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  • MITSUKA MATSUI

    CORRELAES ENTRE ESTRUTURA QUMICA, SUPER-

    ESTRUTURA MACROMOLECULAR E MORFOLOGIA DAS BLENDAS

    E REDES POLIMRICAS BASE DE QUITINA E POLIURETANO

    Tese de Doutorado apresentada como requisito parcial obteno do grau de Doutor em Engenharia, pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia, rea de Concentrao: Engenharia e Cincias dos Materiais, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paran.

    Orientadora: Profa. Dra. Leni Akcelrud

    CURITIBA

    2007

  • Ao meu querido pai Motoyoshi Matsui,

    que com certeza sempre esteve, e est ao meu

    lado, olhando por mim.

    ii

  • AGRADECIMENTOS

    Minha imensa gratido:

    A Deus pela vida e presena constante em todos os momentos.

    A minha me Tieko pelo carinho, amor, dedicao, confiana e apoio

    prestados.

    Aos meus queridos irmos Roberto, Agostinho, Czar, minha irm e amiga

    Cristina, cunhadas e cunhado e meus queridos sobrinhos pelo apoio, incentivo e

    carinho.

    A minha estimada amiga Valcineide O. A. Tanobe pela amizade, ateno e

    apoio nos momentos de dificuldades.

    Aos meus colegas do Laboratrio de Polmeros Paulo Scarpa - LaPPS, os

    quais me acompanharam e auxiliaram na realizao deste trabalho.

    Profa. Dra. Leni Akcelrud pelas idias, pacincia, apoio, incentivo e pela

    confiana depositada em mim.

    A Marilda Munaro do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento

    LACTEC, pela realizao das anlises de TGA, DSC e DMA, pelo apoio e

    orientao no desenvolvimento deste trabalho.

    A Profa. Dra. Lucy Ono do Laboratrio de Microbiologia Yasuyoshi Hayashi

    Departamento de Patologia Bsica UFPR, pelos testes de citotoxicidade e

    biocompatibilidade.

    A Profa. Dra. ngela Kinoshita e Prof. Dr. Srgio Catanzaro da Universidade

    Sagrado Corao- Bauru- S.P. Pelos ensaios in vivo de biocompatibilidade.

    A CAPES pela bolsa de Doutorado concedida.

    iii

  • SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ VII

    LISTA DE TABELAS ................................................................................................ XI

    LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS ............................................................ XII

    RESUMO ............................................................................................................... XIV

    ABSTRACT ........................................................................................................... XVI

    1. INTRODUO ....................................................................................................... 1

    1.1. Justificativa e relevncia ........................................................................... 1

    2. OBJETIVOS ........................................................................................................... 4

    3. REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................. 5

    3.1. Biomateriais .............................................................................................. 5

    3.2. Polmeros .................................................................................................. 7

    3.2.1. Polmeros naturais ................................................................. 8

    3.2.2. Polmeros sintticos .............................................................. 8

    3.2.3. Biopolmeros .......................................................................... 9

    3.2.4. Sistemas bioartificiais .......................................................... 11

    3.3. reas de aplicao biomdica ................................................................ 11

    3.3.1. Prteses e implantes ortopdicos ........................................ 11

    3.4. Ensaios in vitro ....................................................................................... 16

    3.5. Biomateriais degradveis e biodegradao ............................................ 18

    3.5.1. Biomateriais degradveis .................................................... 18

    3.5.2. Biodegradao .................................................................... 20

    3.6. Quitina .................................................................................................... 24

    3.6.1. Breve histrico da quitina e quitosana ................................. 24

    iv

  • 3.6.2. Fontes e Processos de obteno ........................................ 25

    2.6.3. Estrutura da quitina ............................................................. 27

    3.6.4. Solubilidade ......................................................................... 29

    3.6.5. Degradao trmica ............................................................ 30

    3.6.6. Aplicaes da quitina ........................................................... 31

    3.7. Policaprolactona ..................................................................................... 33

    3.8. Poliuretano .............................................................................................. 34

    4. PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................... 40

    4.1. Materiais e mtodos ............................................................................... 40

    4.1.1. Sntese do pr-polmero de poliuretano (PU) ...................... 40

    4.1.2. Sntese da rede poliuretano/quitina (rede PU/QTN) ............ 41

    4.2. Preparao das blendas de poliuretano/quitina (blendas PU/QTN) ....... 42

    4.3. Tratamento trmico dos filmes de PU/QTN ............................................ 42

    4.4. Ensaios biolgicos .................................................................................. 42

    4.4.1. Ensaios de grau de hidratao e degradao in vitro

    Soluo de HBSS .................................................................. 43

    4. 4. 2. Avaliao da citotoxicidade e biocompatibilidade .............. 44

    4.5. Ensaios in vivo ........................................................................................ 49

    4. 5.1. Procedimento cirrgico ....................................................... 49

    4.5.2. Anlise histolgica ............................................................... 50

    4.6. Caracterizao dos materiais sintetizados .............................................. 52

    4.6.1. Determinao do Mn e Mw do PU ....................................... 52

    4.6.2. Caracterizao espectroscpica .......................................... 52

    4.6.3. Caracterizao trmica ........................................................ 53

    v

  • 4.6.4. Caracterizao morfolgica dos materiais por microscopia

    eletrnica de varredura ............................................................................................ 53

    4.6.5. Cristalinidade dos filmes ...................................................... 53

    4.6.6. Caracterizao mecnica .................................................... 54

    5. RESULTADOS E DISCUSSES ......................................................................... 55

    5.1. Determinao da massa molar do poliuretano ....................................... 55

    5.2. Sntese das redes e blendas de Poliuretano/Quitina .............................. 55

    5.3. Caracterizao espectroscpica dos materiais ....................................... 57

    5.3.1. Espectroscopia na regio do infravermelho ........................ 57

    5.4. Caracterizao termogravimtrica (TGA) ............................................... 62

    5.5. Calorimetria diferencial de varredura (DSC) ........................................... 67

    5.6. Difrao de raios X ................................................................................. 73

    5.7. Anlise termo-dinmico- mecnica (DMTA) ........................................... 76

    5.7.1. Poliuretano e quitina ............................................................ 76

    5.8. Comportamento mecnico das blendas ................................................. 84

    5.9. Caracterizao morfolgica (MEV) ......................................................... 86

    5.10. Grau de hidratao e degradao in vitro - soluo de HBSS .............. 90

    5.11. Avaliao da citotoxicidade e biocompatibilidade - clulas Vero .......... 93

    5.11.1. Citotoxicidade das solues .............................................. 93

    5.11.2. Ensaio de biocompatibilidade - Adeso celular ................. 95

    5.12. Anlise histolgica do implante subcutneo da membrana de quitina .. 99

    6. CONCLUSES .................................................................................................. 102

    7. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................ 105

    8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................. 106

    vi

  • LISTA DE FIGURAS

    Figura 01 - Tipos de molculas polimricas: a) linear; b) ramificado; c) com

    ramificaes em estrela; d) escalar; e) graftizado ou enxertado; f) semi-escalar;

    g) com ligaes cruzadas ou reticuladas. .......................................................... 8

    Figura 02 Ciclo da quitina. ..................................................................................... 25

    Figura 03 Estrutura da quitina. .............................................................................. 27

    Figura 04 Estrutura da celulose. ........................................................................... 27

    Figura 05 Estrutura qumica quitina/quitosana. ..................................................... 28

    Figura 06 Orientaes das cadeias polimricas nas diferentes formas de quitina.29

    Figura 07 Estrutura qumica da poli (-caprolactona), PCL. .................................. 34

    Figura 08 Grupo caracterstico dos poliuretanos. .................................................. 35

    Figura 09 Representao esquemtica da separao de fases em poliuretanos

    segmentados. ................................................................................................... 37

    Figura 10 Sntese do poliuretano (PU): (a) pr-polmero e (b) composto modelo. 41

    Figura 11 Amostras (seo quadrada utilizados durante os ensaios de

    degradao). .................................................................................................... 44

    Figura 12 Procedimento cirrgico: (a) anestesia do animal, (b) tricotomia (c)

    assepsia com PVPI, (d) inciso no dorso do animal, (e) Divulso da pele, (f)

    implante filme (rede) PU/ QTN- 50/50. ............................................................. 51

    Figura 13 Material coletado - rede PU/QTN (50/50). ............................................. 52

    Figura 14 Representao da estrutura proposta para a rede PU/QTN..................56

    Figura 15 Espectro de IV do filme de PU. ............................................................. 57

    Figura 16 Espectro de IV do filme de quitina. ........................................................ 58

    Figura 17 Espectros de IV das redes e blendas (a) 20/80 (b) 40/60 e c) 60/40. ... 60

    vii

  • Figura 18 Estrutura qumica provvel da quitina reticulada com TDI - rede modelo.

    ......................................................................................................................... 61

    Figura 19 Espectros de IV do PU e da rede modelo. ............................................ 61

    Figura 20 Curvas termogravimtricas em vrias composies das blendas de

    PU/QTN e dos polmeros puros. ...................................................................... 62

    Figura 21 Porcentagem de massa de gua em funo da concentrao de quitina

    nas blendas. ..................................................................................................... 63

    Figura 22 Td em funo da concentrao de PU presente nas blendas. .............. 64

    Figura 23 Curvas termogravimtricas em vrias composies das redes PU/QTN.

    ......................................................................................................................... 65

    Figura 24 Td em funo da concentrao de PU presente nas blendas. .............. 66

    Figura 25 Porcentagem de massa de gua em funo da concentrao de quitina

    nas redes. ........................................................................................................ 66

    Figura 26 Curva de DSC do PU. ........................................................................... 67

    Figura 27 Curva de DSC da quitina....................................................................... 68

    Figura 28 Curvas de DSC para os polmeros puros e para as blendas PU/QTN, ao

    resfriamento. .................................................................................................... 69

    Figura 29 Curvas de DSC para os polmeros puros e para as blendas PU/QTN, no

    segundo aquecimento. ..................................................................................... 70

    Figura 30 Entalpia de fuso (Hf) da fase cristalina do PU em funo da

    concentrao deste nas blendas. ..................................................................... 71

    Figura 31 Curvas de DSC para os polmeros puros e para as redes PU/QTN, no

    resfriamento. .................................................................................................... 71

    Figura 32 Curvas de DSC para os polmeros puros e para as redes PU/QTN, no

    segundo aquecimento. ..................................................................................... 72

    viii

  • Figura 33 Difratograma de raios X de PU (a) e de quitina (b) e das blendas

    blendas PU/QTN: (c) 10/90, (d) 20/80, (e) 30/70, (f) 40/60, (g) 50/50, (h) 60/40

    e (i)70/30. ......................................................................................................... 74

    Figura 34 Porcentagem de cristalinidade das blendas com relao a concentrao

    de PU. .............................................................................................................. 75

    Figura 35 Difratograma de raios X : a ) blenda e rede 30/70, b) blenda e rede

    50/50 e c) blenda e rede 70/30. ....................................................................... 76

    Figura 36 Mdulo de armazenamento (E) e de perda (E) para o filme de PU. ... 77

    Figura 37 Mdulo de perda (E), tan e delta S para o filme de quitina. .............. 78

    Figura 38 Mdulo de perda (E) para as blendas PU/QTN. .................................. 78

    Figura 39 Tan para as blendas PU/QTN. ........................................................... 79

    Figura 40 Mdulo de perda (E) para as redes PU/QTN. ...................................... 80

    Figura 41 Tan para as redes PU/QTN. ............................................................... 80

    Figura 42 Delta S em funo da temperatura para as blendas PU/QTN. .............. 81

    Figura 43 Delta S em funo da temperatura para as redes PU/QTN. ................. 82

    Figura 44 Mdulo de armazenamento (E) para as blendas PU/QTN...................83

    Figura 45 Mdulo de armazenamento (E) para as redes PU/QTN........................83

    Figura 46 Tenso na ruptura em funo da concentrao de PU nas blendas

    PU/QTN. ........................................................................................................... 85

    Figura 47 Deformao em funo da concentrao de PU nas blendas PU/QTN. 85

    Figura 48 Micrografias de filmes de (a) PU, (b) PU-fratura e (c) quitina e (d)

    quitina- fratura. ................................................................................................. 87

    Figura 49 - Micrografia das blendas: a)10/90, B) 20/80, c) 30/70, d) 40/60, e)50/50,

    f)60/40, g) 70/30 e respectivas fraturas. ........................................................... 89

    ix

  • x

    Figura 50 - Micrografias das redes de PU/QTN: a) 20/80, b) 40/60, c) 60/40 e d)

    70/30.. .............................................................................................................. 90

    Figura 51 - Grau de hidratao dos filmes em funo da concentrao de PU. ...... 92

    Figura 52 - Porcentagem de perda de massa no ensaio de degradao. ................ 93

    Figura 53 Resultados dos ensaios de citotoxicidade direta das solues de HBSS

    puro e das submetidas no ensaio de degradao dos filmes PU e quitina puros

    e das redes 10/90, 20/80, 30/70, 40/60, 50/50, 60/40 e 70/30. ........................ 94

    Figura 54 Resultados do ensaio de adeso das clulas Vero aps 48 horas de

    contato com os componentes puros (PU e quitina) e das redes 10/90, 20/80,

    30/70, 40/60, 50/50, 60/40 e 70/30. ................................................................. 96

    Figura 55 Anlise em microscpio invertido de contraste de fases do

    comportamento das clulas Vero aps 48 horas de contato com os materiais:

    (a) controle positivo, filmes (b) PU puro, (c) quitina e rede (d) 10/90. .............. 98

    Figura 56 Rede de PU/QTN 50/50, aps 15 dias do material implantado. ......... 99

    Figura 57 - Rede de PU/QTN 50/50, aps 30 dias do material implantado. ....... 100

    Figura 58 - Rede de PU/QTN 50/50, aps 30 dias do material implantado. ....... 101

  • LISTA DE TABELAS

    Tabela 01 Lista de biopolmeros ........................................................................... 10

    Tabela 02 Aplicaes de materiais sintticos e materiais naturais modificados em

    medicina. .......................................................................................................... 16

    Tabela 03 Polmeros biodegradveis sintticos em engenharia de tecidos. ......... 20

    Tabela 04 Composio da soluo HBSS ............................................................ 44

    Tabela 05 Atribuies das principais absores de espectro do PU. .................... 57

    Tabela 06 Atribuies das principais absores de espectro da quitina. .............. 58

    Tabela 07 Temperatura de cristalizao dos polmeros puros e das blendas. ...... 69

    xi

  • LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS

    BMP Protenas morfogenticas do osso

    DA Grau de desacetilao

    DMAc Dimetilacetamida

    DMTA Anlise termo-dinmico-mecnica

    DSC Calorimetria diferencial de varredura

    GA Grau de acetilao

    HBSS Solues fisiolgicas simuladas - Hanks balanced salt solutions

    FTIR Infravermelho com transformada de Fourier

    MEV Microscopia eletrnica de varredura

    Mn Massa molecular numrica mdia

    MTT 3-(4,5-dimetiltiazol-2-il)-2,5-difenil tetrazolium brometo

    Mw Massa molecular ponderal mdia

    NCO Grupamento isocianato

    NMP N-metil-pirrolidona

    OP Protena osteognica

    PCL Poli(-caprolacatona)

    PEG Poli(etilenoglicol)

    PGA Poli(cido gliclico)

    pH Potencial hidrogeninico

    PHB Poli(hidroxibutirato)

    PLA Poli(cido lctico)

    PMMA Polimetacrilato de metila

    PU Poliuretano

    xii

  • PVA Poli(lcool vinlico)

    PVPI Polivinilpirrolidona

    QTN Quitina

    SP Varincia ponderada

    Tan Tangente (dinmico mecnico)

    Tc Temperatura de cristalizao

    TCA cido tricarboxlico

    TDI 2,4-2,6 tolueno diisocianato

    Tg Transio vtrea

    TGA Anlise termogravimtrica

    Hf Entalpia de fuso

    Td Temperatura de degradao

    xiii

  • RESUMO

    Polmeros para aplicaes biomdicas devem possuir propriedades fsico-

    quimicas e mecnicas assim como biocompatibilidade adequada. Alguns polmeros

    sintticos possuem as propriedades fsicas requeridas mas no so suficientemente

    biocompatveis. Por outro lado, polmeros naturais so biocompatveis mas suas

    propriedades mecnicas so inadequadas. A mistura de polmero sinttico e natural

    na forma de blendas e materiais ligados quimicamente constitui um recurso que

    rene as propriedades de ambos num nico material.

    A quitina um polmero natural com grande potencial de aplicao que j

    est sendo explorado para uso na rea de sade, devido a caractersticas

    favorveis, tais como baixa toxicidade, biocompatibilidade, biodegradabilidade e

    mucoadesividade. A combinao deste polmero com os poliuretanos que so

    polmeros versteis, e cuja estrutura pode ser desenhada de modo a apresentar

    biodegradabilidade, usando-se segmentos biodegradveis em sua estrutura como a

    policaprolactanodiol (PCL) foi a estratgia usada nesta Tese para a obteno de

    materiais que possam ter utilidade em aplicaes biolgicas.

    A combinao das propriedades da quitina com as do poliuretano foi

    realizada atravs da interconexo dos dois polmeros atravs da reao de

    condensao entre um pr-polmero uretnico com terminaes isocianato (NCO) e

    os grupos NH e OH da quitina. A densidade de ligaes cruzadas nas redes

    resultantes foi fixada atravs da proporo dos dois componentes, sendo que o

    comprimento do PU foi mantido constante (Mw= 66.000 g/mol e Mn=48.000 g/mol). A

    regio da composio estudada situou-se entre 10 e 70% de PU, pois em

    concentraes superiores ocorre uma separao de fase macroscpica. Blendas de

    xiv

  • xv

    mesma composio tambm foram preparadas. A caracterizao estrutural e

    morfolgica foi feita com os mtodos espectroscpicos usuais, como o FTIR, DMTA,

    difrao de raios X e MEV.

    Os ensaios de biocompatibilidade demonstraram que o filme tem uma menor

    capacidade de adeso celular, em torno de 40% em relao ao controle positivo. Os

    ensaios in vivo demonstraram que para os tempos e locais testados, os materiais

    produziram estado inflamatrio.

  • ABSTRACT

    Polymers for biomedical applications should convey at the same time

    biocompatibility with good physical- mechanical properties. Some synthetic polymers

    present the required physical characteristics, but are not biocompatible. On the other

    hand, natural polymers are biocompatible, but lack the adequate mechanical

    properties. The combination of natural polymers with synthetic ones in blend form or

    covalently linked is a resource that provides the obtainment of both features in only

    one material.

    Chitin is a natural polymer with a great potential application, and is being

    already explored in the health area, due to favorable characteristics such as low

    toxicity, biocompatibility, and mucoadhesiviy. The combination of this polymer with

    polyurethanes, that are versatile materials and which structure can be designed in

    biodegradable form by using degradable segments, as polycaprolactonediol (PCL),

    was the strategy used in this Thesis for the preparation of material that could be

    useful in biological applications.

    The combination of the chitin and polyurethane properties was accomplished

    by the interconnection of the two polymers through the condensation reaction

    between the terminal isocyanate groups (NCO) of a urethane pre-polymer and the

    NH and OH of the chitin molecule.

    The crosslinking density was set by the ration between the two components,

    since the polyurethane block was kept constant (Mw= 66.000 g/mol, Mn=48.000

    g/mol).

    The composition range studied spanned from 10 to 70% of the polyurethane

    component, at higher concentrations a macroscopic phase separation occurred.

    Blends of similar compositions were also prepared. The structural and morphological

    characterization was done with the usual spectroscopic methods, such as FTIR,

    DMTA, X-ray diffraction and MEV.

    The biocompatibility tests demonstrated that the film has a lower capacity of

    cellular adhesion, around 40% in relation to the positive control. The in vivo essays

    showed that for the periods of time and locations tested, the materials brought about

    a inflammatory reaction.

    xvi

  • 1

    1. INTRODUO

    1.1. Justificativa e relevncia

    Dentro da cincia de materiais, a rea de biomateriais tem demonstrado um

    desenvolvimento mpar. Biomateriais polimricos vm sendo usados para a

    substituio de tecidos epidrmicos, drmicos e/ou subdrmicos, para a

    regenerao de ossos, cartilagens e nervos, dentre outras funes. Biomaterial

    pode ser definido como uma substncia ou combinao de duas ou mais

    substncias, farmacologicamente inertes, de natureza sinttica ou natural, que so

    utilizados para melhorar, aumentar ou substituir, parcial ou integralmente, tecidos e

    rgos. Os biomateriais so utilizados desde as civilizaes mais antigas: olhos

    artificiais, orelhas, dentes e at narizes foram notificados em mmias egpcias.

    Chineses e indianos j usavam ceras, resinas e tecidos para reconstruir partes

    perdidas ou defeitos do corpo. Ao longo dos sculos, avanos nos tipos de materiais

    sintticos, tcnicas cirrgicas e mtodos de esterilizao vm permitindo o uso de

    biomateriais em partes do corpo no visualizadas at ento [1]. Alm disso, esses

    materiais so produzidos para serem usados em tecidos do corpo que

    experimentam nveis consideravelmente altos de agressividade. O pH nos fludos

    corpreos de vrios tecidos varia sob faixas bastante amplas (1 a 9 em alguns

    casos). Cotidianamente os ossos so submetidos a tenses de at 4 MPa enquanto

    os tendes e ligamentos suportam entre 40 e 80 MPa. Estas tenses so flutuantes

    e repetitivas, o que torna o ambiente ainda mais agressivo [2].

    Os poliuretanos so industrialmente importantes devido variedade dos

    grupos presentes entre as ligaes uretnicas, os quais podem dar origem aos mais

  • 2

    diversos produtos, como elastmeros, plsticos, espumas e pela possibilidade de

    polimerizao controlada atravs da formao de intermedirios estveis (pr-

    polmeros). Estes permitem a adaptao do processo e da composio para a

    obteno de materiais que possam cumprir as mais variadas exigncias. A forma

    mais simples de um poliuretano a linear, na qual os materiais de partida

    (composto hidroxilado e isocianato) possuem funcionalidade igual a dois. Porm, ao

    incorporar materiais com funcionalidade maior que dois, so produzidos

    poliuretanos reticulados (ou entrecruzados), os quais so mais resistentes mecnica

    e termicamente, alm de exibirem maior resistncia aos solventes, visto que so

    insolveis. Por estas razes, os poliuretanos podem ser sintetizados com grande

    variao nas propriedades fsicas [3],[4].

    Um dos grandes desafios da pesquisa na rea de biomateriais o

    desenvolvimento destes a partir de matrias-primas de baixo custo, fcil acesso e

    com caractersticas adequadas para a funo destinada. A quitina se enquadra

    dentro destes pr-requisitos.

    A quitina um polmero natural, constituda por unidades de 2-acetamido-2-

    desoxi-D-glucose, tambm designada N-acetil-D-glucosamina (GlcNHAc), unidas

    por ligaes glicosdicas (1>4). A sua estrutura bastante semelhante da

    celulose, na qual o grupo hidroxila do carbono 2 do anel de glucopiranose se

    encontra substitudo por um grupo acetamida.

    A quitina e a quitosana (polmero obtida a partir da desacetilao da quitina)

    vm despertando grande interesse de cientistas e tecnlogos como materiais

    polimricos com aplicaes na rea biomdica. Estes polissacardeos, alm de

    apresentarem propriedades biolgicas adequadas ainda apresentam diversas outras

    caractersticas tecnolgicas e economicamente relevantes, como por exemplo: so

  • 3

    resduos da indstria da pesca produzidos a partir do processamento da carapaa

    dos crustceos e apresentam um grande valor comercial devido sua alta

    porcentagem de nitrognio (6,89%), quando comparada celulose substituda

    sinteticamente (1,25%), tornando-as agentes quelantes [5].

    A quitina em especial se mostra mais favorvel aplicao em biomateriais

    devido ao grupamento acetamida, presente em maior quantidade em sua estrutura,

    comparado com a quitosana. Este grupamento muito similar ligao amida

    presente nas protenas que constituem o tecido vivo, tornando a quitina mais

    biocompatvel que a quitosana. O grupamento amina, presente em maior

    quantidade na quitosana, tem ao hemosttica quando implantada como

    biomaterial.

  • 4

    2. OBJETIVOS

    Sintetizar redes de poliuretano e quitina com arquitetura molecular pr-

    definida atravs da variao sistemtica da densidade de ligaes cruzadas;

    Elucidar a morfologia do material sintetizado e caracterizar as propriedades

    mecnicas e trmicas das redes formadas, correlacionando-as com as propriedades

    obtidas;

    Preparar blendas de poliuretano e quitina, a fim de verificar a influncia da

    reticulao nas propriedades da rede;

    Avaliar de forma preliminar a biocompatibilidade dos materiais sintetizados

    atravs de ensaios de citotoxicidade e degradao em soluo fisiolgica simulada.

  • 5

    3. REVISO BIBLIOGRFICA

    3.1. Biomateriais

    Existem varias definies para o conceito de biomateriais destinados a

    possuir uma interface com os sistemas biolgicos para avaliar, tratar, aumentar ou

    substituir qualquer tecido, rgo ou funo do corpo [6],[7]. Muitas vezes associa-se

    o conceito de biomateriais a materiais de origem natural, mais conhecidos por

    biopolmeros, mas esta definio no inteiramente correta, j que existem

    biomateriais de origem sinttica que podem entrar em contato com o organismo,

    desempenhando diversas funes benficas na rea da sade. A evoluo dos

    biomateriais relativamente recente. No entanto, possvel dividi-la em 3 geraes:

    i) primeira gerao de biomateriais - implantes sseos (primeira articulao artificial

    do quadril desenvolvida em 1961); ii) segunda gerao de biomateriais - dispositivos

    bioativos (iniciou-se nos anos 70); iii) terceira gerao- engenharia de tecidos (at a

    atualidade).

    A rea de biomateriais engloba o conhecimento e a colaborao de diversas

    especialidades, desde o comportamento mecnico at as funes biolgicas a nvel

    molecular nos tecidos, passando pela engenharia de materiais, onde so

    desenvolvidos sistemas com propriedades adequadas a determinadas aplicaes

    no organismo. A evoluo atual dos biomateriais depende assim dos avanos das

    diversas reas, de maneira global da biotecnologia e da cincia dos materiais.

    Uma definio importante a de biocompatibilidade com o organismo,

    podendo ser definida como a capacidade do material ter uma resposta favorvel

    numa aplicao especfica, com o mnimo de reaes alrgicas, inflamatrias ou

  • 6

    txicas, quando em contato com os tecidos vivos ou fluidos orgnicos [8]. No

    existem materiais totalmente inertes, h sempre uma resposta dos tecidos a

    qualquer corpo estranho quando inserido no corpo humano. Alterando algumas

    propriedades dos materiais possvel minimizar ou controlar a resposta do tecido.

    Biomateriais polimricos no devem exibir toxicidade, comportamento

    irritante, ou quaisquer respostas fisiolgicas adversas [9]. A bioatividade tambm

    importante na funcionalidade de um biomaterial. Um material bioativo quando h

    uma resposta biolgica especfica na interface do material, por exemplo permitindo

    o crescimento sseo e a ligao entre o tecido e o material [10]. As 3 principais

    classes de materiais utilizados em medicina so os metais, polmeros, cermicas e

    combinaes destes trs tipos em compsitos. Os biomateriais podem ser bioinertes

    ou biodegradveis. Materiais bioinertes no sofrem alteraes, durante o perodo de

    implantao, causando resposta mnima nos tecidos adjacentes, e mantendo as

    propriedades estruturais durante longos perodos [11]. Os biomateriais degradveis

    degradam-se quando em contato com os fluidos orgnicos. A taxa de degradao

    deve permitir a substituio gradual do novo tecido, transferindo progressivamente a

    tenso para o tecido em recuperao, evitando assim uma segunda interveno

    cirrgica para a remoo do implante[12]. Os polmeros biodegradveis apresentam

    grande potencial em aplicaes biomdicas, como por exemplo, em placas sseas,

    parafusos de fixao ou suturas.

    Os sistemas biodegradveis devem ser degradados in vivo, e formar produtos

    solveis facilmente removveis do local de implantao e excretados do corpo pelos

    mecanismos metablicos normais. Os principais fatores que afetam a taxa de

    degradao de polmeros sintticos e meio biolgico so: (i) estrutura do polmero,

    principalmente hidrofilicidade e a presena de grupos funcionais, massa molar; (ii)

  • 7

    estado fsico e morfolgico do polmero, particularmente se cristalino ou amorfo;

    (iii) condies ambientais (temperatura, pH, umidade, oxignio); (iv) razo

    superfcie/volume, tamanho e pureza do polmero [13]. A necessidade de ajustar a

    taxa de degradao do implante temporrio ao crescimento dos tecidos adjacentes

    um dos principais fatores da viabilidade de um suporte temporrio [14].

    Entre as aplicaes mais freqentes de biomateriais em ortopedia, salientam-

    se as prteses de quadril, joelho e ombro, visando restabelecer a capacidade de

    movimento e de transferncia de carga [15].

    3.2. Polmeros

    So compostos tanto orgnicos quanto inorgnicos, naturais ou sintticos de

    alta massa molar (da ordem de 104 a 106 g/mol) [16], caracterizado por seu

    tamanho, estrutura qumica e interaes intra- e intermoleculares. Possuem

    unidades qumicas ligadas por covalncia, repetidas regularmente ao longo da

    cadeia denominadas meros. As unidades repetitivas dos polmeros unem-se, de

    modo a formar uma estrutura linear, ou ramificada. As ramificaes podem, ainda,

    interligar-se e formar uma rede tridimensional reticulada. A Figura 01 ilustra os

    principais tipos de arranjos dos meros.

  • 8

    Figura 01 - Tipos de molculas polimricas: a) linear; b) ramificado; c) com

    ramificaes em estrela; d) escalar; e) graftizado ou enxertado; f) semi-escalar; g)

    com ligaes cruzadas ou reticuladas.

    Os polmeros podem ser classificados em homopolmeros (se tiverem apenas

    um tipo de unidade repetitiva de monmeros da mesma natureza ou copolmeros

    (se conterem duas ou mais unidades repetitivas) [14].

    3.2.1. Polmeros naturais

    Polmeros naturais so os polmeros que ocorrem naturalmente; aqueles que

    so derivados de plantas e animais tm sido usados por muitos sculos. Esses

    materiais incluem a madeira, borracha, algodo, l, couro e a seda. Outros

    polmeros naturais como as protenas, enzimas, amido e a celulose, so importantes

    em processos biolgicos e fisiolgicos nas plantas e nos animais [17],[18].

    3.2.2. Polmeros sintticos

    Os polmeros sintticos podem ser obtidos por meio de uma reao qumica

    denominada polimerizao e as substncias que lhes do origem so chamadas de

    monmeros. Muitos dos plsticos, borrachas e materiais fibrosos que nos so teis

    nos dias de hoje constituem os polmeros sintticos. Os materiais sintticos podem

  • 9

    ser produzidos de maneira barata e as suas propriedades podem ser administradas

    num nvel em que muitas delas so superiores s suas contrapartes naturais. Entre

    algumas das aplicaes, peas de metais e de madeira foram substitudas por

    polmeros apresentando resultados satisfatrios alm de serem produzidos a custos

    baixos[17],[18].

    O fato de os polmeros sintticos e naturais (e respectivos compsitos)

    existirem numa grande variedade de composies combinado com a possibilidade

    de modificao de suas propriedades resultou em larga faixa de aplicaes como

    biomateriais [19].

    3.2.3. Biopolmeros

    Os biopolmeros so polmeros naturais tais como colgeno, elastina, cido

    hialurnico, dextrana, celulose e quitina. A sua sntese envolve reaes catalisadas

    enzimaticamente e reaes de polimerizao de cadeia. Os biopolmeros estruturais

    e de reserva energtica mais importantes so os polissacardeos [6].

    Nos ltimos anos, os polmeros naturais tm sido propostos como alternativas

    aos biomateriais atualmente usados em aplicaes biomdicas. Uma das vantagens

    destes materiais seu baixo custo como resultado da disponibilidade da matria-

    prima [20]. A Tabela 01 [21] mostra alguns dos biopolmeros atualmente disponveis.

    Os biopolmeros constituem uma importante fonte de materiais com grande

    versatilidade qumica e elevado potencial em diversas aplicaes biomdicas. As

    suas propriedades podem ser facilmente alteradas por diferentes mtodos fsicos e

    qumicos. Isto permite a seleo de propriedades importantes tais como capacidade

    de absoro de gua, cinticas de degradao, ou propriedades mecnicas com

    especificaes apropriadas e determinadas aplicaes [21].

  • 10

    Tabela 01 Lista de biopolmeros [21].

    Plantas/Algas Animais Bactrias Amido (amilose,

    amilopectina) Celulose Pectina Alginato

    Carraginato Gomas

    Soja, glten de trigo Casena, soro de

    albumina Sedas

    Elastina Polihidroxialcanoatos

    cido hialurnico Quitina

    Quitosana

    Quitina Quitosana Xantano

    Poligalactosamina Gelano

    Dextrano

    Os polmeros naturais so apropriados como materiais biomdicos devido a

    sua semelhana estrutural com os componentes dos tecidos. O fato de conterem

    monmeros semelhantes, ou mesmo idnticos, aos encontrados nas matrizes

    orgnicas dos organismos, reduz a possibilidade de ocorrncia de problemas

    associados a toxicidade dos materiais, ou seus produtos de degradao, ou

    estimulao das reaes inflamatrias crnicas [21]. No entanto, existem algumas

    desvantagens em utilizar polmeros naturais, como por exemplo: (i) fortes atividades

    fisiolgicas e potencial para rejeio; (ii) dificuldade na avaliao das taxas de

    degradao in vivo devido a diferenas nas concentraes enzimticas em

    diferentes partes dos tecidos vivos; e (iii) a resistncia mecnica dos polmeros

    naturais geralmente insuficiente. Por estas razes, a sua aplicao como materiais

    biomdicos tem sido limitada a pequenas reas especficas [22].

    Uma caracterstica intrnseca dos polmeros naturais sua capacidade de

    serem degradados por enzimas, garantindo que o implante seja metabolizado por

    mecanismos fisiolgicos. Esta propriedade tem interesse em aplicaes de

    biomateriais no qual se pretende uma funo especfica por um perodo de tempo

  • 11

    temporrio, seguido do qual esperado que o implante degrade completamente por

    processos metablicos normais [23].

    3.2.4. Sistemas bioartificiais

    Os materiais polimricos bioartificiais so biomateriais que resultam das

    interaes entre polmeros sintticos e naturais. Os materiais bioartificiais combinam

    as propriedades dos polmeros sintticos (boas propriedades mecnicas, fcil

    processamento, custos baixos de produo e transformao) com as propriedades

    especficas de biocompatibilidade e degradabilidade dos biopolmeros. A

    biocompatibilidade do material determinante para as interaes a nvel molecular

    entre o material e os constituintes dos tecidos. Quanto menos afetada a

    funcionalidade biolgica dos constituintes dos tecidos, melhor a biocompatibilidade

    do material sinttico. Os materiais polimricos bioartificiais tm melhor

    biocompatibilidade na reduo de interaes indesejveis com os tecidos,

    comparativamente aos biomateriais sintticos. Relativamente aos biopolmeros

    mostram melhores propriedades fsicas e mecnicas [24].

    3.3. reas de aplicao biomdica

    3.3.1. Prteses e implantes ortopdicos

    Prteses e implantes ortopdicos so dispositivos mdicos, aplicados

    mediante ato cirrgico, total ou parcialmente no interior do organismo, com o

    objetivo de restabelecer ou substituir a capacidade funcional de um dado osso ou

    articulao [6],[7],[25],[22],[26]. Nenhum implante tem propriedades biomecnicas

    equivalentes aos tecidos que substitui. Todos os implantes apresentam um balano

  • 12

    entre a compatibilidade bioqumica e biomecnica. Alm da bioatividade, as

    propriedades fsicas e mecnicas so essenciais para que um implante seja capaz

    de substituir o osso. Tm sido utilizados diversos materiais, ou propostos para

    serem usados, principalmente na fixao ssea, substituindo o osso e estruturas

    sseas (graft). Os implantes metlicos tradicionais tm sido substitudos por

    cermicos, metais cermicos, polmeros e compsitos, em vrias aplicaes

    biomdicas.[15],[27],[28].

    Ensaios mecnicos so realizados com o objetivo de avaliar o desempenho

    mecnico de um potencial biomaterial como implante. Em implantologia ortopdica

    de extrema importncia conhecer a resistncia do biomaterial solicitao de foras

    de compresso, toro, trao, tenacidade fratura e o comportamento elstico. O

    desgaste e a fadiga so duas causas comuns de degradao dos materiais

    ortopdicos. Os principais tipos de desgaste envolvidos na deteriorao dos

    implantes prostticos so: desgaste por abraso, fadiga e adeso [6]. As aplicaes

    mdicas de polmeros encontram-se divididas em duas categorias principais:

    implantes permanentes e temporrios. Os implantes temporrios so utilizados para

    restabelecer ou apoiar um dado osso na sua consolidao, aps fratura, ou

    promover o seu alongamento (caso de fixadores externos). Os dispositivos

    permanentes uma vez aplicados, no devem terminar a sua funo durante o tempo

    de vida do paciente. H muitas vezes necessidade de reviso da prtese, devido

    deteriorao da juno prtese/osso na zona de interface com separao entre a

    prtese e o osso, bem como a possvel degradao dos componentes da prtese,

    devido a fenmenos de desgaste e corroso, ou problemas associados a possveis

    infeces [29]. Dentre os diversos tipos de prteses e implantes que se utiliza em

    ortopedia, salientam-se as prteses de quadril, joelho e ombro, todas do tipo

  • 13

    articular, visando restabelecer a capacidade do movimento e de transferncia de

    carga. Outro tipo de prteses bastante comum so as placas de osteossntese, que

    visam fixar pores de osso fraturado, de modo a inibir o respectivo movimento

    relativo, e assim permitir a consolidao do calo formado na zona fraturada [15].

    Muitos destes dispositivos, sobretudo quando destinados a permanecer em contato

    com o organismo durante perodos relativamente curtos, so fabricados com ligas

    metlicas, que permitem fcil construo a custos relativamente baixos. Dentre as

    ligas mais utilizadas, salientam-se os aos inoxidveis AISI 316L (Ti-6Al-4V),

    constitudos por cromo, nquel, molibdnio e ferro. Estas ligas so de baixo custo,

    mas apresentam problemas de degradao, podendo libertar ons agressivos para

    os tecidos envolventes, ou que se acumulem em rgos especficos, possuem

    propriedades elsticas bastante diferentes das do osso, podendo alterar a

    biomecnica do conjunto [6]. O osso cortical e o ao tm propriedades mecnicas

    muito diferentes. A constante de elasticidade do osso 1/10 do ao implantado.

    Assim, a remoo dos implantes metlicos pode ser seguida por um perodo de

    enfraquecimento do osso, com o perigo de refratura [22],[30]. Nas prteses

    articulares comum associar diferentes polmeros, com boa resistncia e razovel

    biocompatibilidade. A combinao de metais ou cermicos uma forma de

    minimizar a deteriorao da zona de contato na articulao, devido elevada

    resistncia ao desgaste na zona de contato destes materiais [6],[14]. comum

    distinguir dois tipos de implantes degradveis: estruturas de suporte temporrias e

    sistemas de libertao controlada de frmacos [22],[31]. Nas matrizes de liberao

    controlada de frmacos, a matriz polimrica degradvel serve como transportador

    que desaparece to rapidamente quanto necessrio, aps a liberao do agente

    ativo farmacolgico. Muitos polmeros biodegradveis so hidroflicos por natureza,

  • 14

    quando a gua penetra na matriz, o frmaco torna-se mais hidroflico, sendo mais

    facilmente removido [11]. As suturas cirrgicas esto divididas em duas classes:

    absorvveis e no absorvveis [32],[22]. As suturas absorvveis, de origem natural ou

    sinttica, fornecem suporte aos tecidos durante o estado inicial de reabilitao,

    sendo depois eliminados por absoro ou digesto metablica. As suturas no

    absorvveis, devem fornecer suporte aos tecidos durante longos perodos de tempo,

    ou permanecer ligados aos tecidos em sistemas prostticos [33]. A primeira sutura

    sinttica degradvel foi aplicada originalmente em 1970 base de poli(cido

    gliclico) (Dexon). Uma limitao prtica das suturas Dexon que tendem a perder

    a resistncia mecnica rapidamente, durante um perodo de duas a quatro semanas

    aps implantao. Mais tarde, outros copolmeros de poli(cido gliclico) e

    poli(cido lctico) foram desenvolvidos. A sutura mais utilizada, Vicryl, composta

    por um copolmero poli(cido gliclico)/poli(cido lctico) (90/10), tendo sido

    introduzida no mercado em 1974 [31],[33]. As estruturas de suporte temporrio so

    utilizadas nos casos em que o tecido natural enfraqueceu por doena, leso, ou

    cirurgia e que necessita de um suporte artificial. Uma leso mal curada, um osso

    partido, ou um vaso sanguneo danificado so alguns exemplos. Sistemas de

    fixao ssea (parafusos ou placas) so sistemas de suporte. Em todas estas

    circunstncias, o implante degradvel funciona como suporte mecnico temporrio.

    Para que um implante temporrio desempenhe corretamente a sua funo, deve

    ocorrer uma transferncia gradual da carga: medida que o tecido natural cresce, o

    implante degradvel deve tornar-se mais fraco. A necessidade de ajustar a taxa de

    degradao do implante temporrio ao crescimento dos tecidos adjacentes um

    dos principais fatores da viabilidade do suporte temporrio [14].

  • 15

    O osso um rgo dinmico capaz de auto-regenerao aps leso.

    Ocasionalmente, quando a leso grave, o osso no recupera corretamente

    falhando na funo mecnica [30]. Muitas vezes, os defeitos sseos necessitam de

    um substituto sseo extrnseco para a sua restaurao funcional e morfolgica. A

    funo dos substitutos sseos de enchimento ou estrutura de suporte [34]. O

    cimento sseo uma alternativa sinttica vivel ao tecido natural, utilizado

    normalmente para preencher defeitos ou na fixao de prteses do osso. Desde

    1960, o poli(metacrilato de metila) tem sido utilizado, devido sua bioestabilidade e

    boas propriedades mecnicas [35]. Um problema comum na substituio do quadril

    o desprendimento de cimento na juno da prtese, em muitos casos est

    relacionado com a falha mecnica no cimento sseo acrlico [36],[30].

    Melhoramentos no uso de cimentos com poli(metacrilato de metila) tm sido obtidos

    com o uso de reforos de partculas ou fibras na matriz. A adio de pequenas

    fibras de carbono ou enchimentos inorgnicos ajuda a reduzir a deformao dos

    cimentos sseos, aumentando a dureza e reduzindo a mobilidade molecular das

    cadeias polimricas [36]. Sistemas de fixao ssea, parafusos, placas, substitutos

    de ligamentos degradveis e suturas so exemplos comuns de implantes

    temporrios em medicina humana. Outros sistemas biodegradveis base de

    colgeno, polihidroxibutirato, policaprolactona, policarbonatos derivados de tirosina,

    derivados de celulose, quitina, quitosana, poli(etilenoglicol) (PEG), poli(lcool

    vinlico) (PVA), tem sido propostos mas nenhum tem aplicao atual no

    mercado [31]. A Tabela 02 seguinte descreve algumas aplicaes de materiais

    sintticos no corpo [37].

  • 16

    Tabela 02 Aplicaes de materiais sintticos e materiais naturais modificados em

    medicina [37].

    Aplicaes Tipos de materiais Esqueleto

    Prteses (quadril, joelho) Placas sseas para fixao de

    fraturas Cimento sseos

    Reparao de defeitos sseos Tendes e ligamentos artificiais Implantes dentrios para fixao

    de dentes Sistema cardiovascular

    Vasos sanguneos Vlvulas cardacas

    Cateteres rgos

    corao artificial Pele artificial

    Rins Olhos

    Lentes intra-oculares Lentes de contato

    Titnio, ligas de Ti-Al-V, polietileno Ao inoxidvel, ligas cobalto-crmio

    Polimetacrilato de metila Hidroxiapatita Teflon, dacron

    Titnio, fosfato de clcio, alumina

    Dacron, teflon, poliuretano Ao inoxidvel, carbono

    Silicone, poliuretano

    Poliuretano Compsito silicone-colgeno

    Celulose, poliacrilonitrila

    Polimetacrilato de metila, silicone, hidrogelSilicone-acrilato, hidrogel

    3.4. Ensaios in vitro

    A crescente utilizao de biomateriais em medicina, conduziu necessidade

    de desenvolvimento de testes reprodutveis e efetivos de biomateriais. A restrio

    da experimentao animal ao mnimo aumentou o interesse pelos sistemas in vitro,

    na distino entre biomateriais potenciais e os que no so adequados para

    aplicao humana. Os mtodos in vitro so um auxiliar necessrio para os estudos

    in vivo na avaliao de biomateriais [38],[39],[40]. Uma das funes mais

    importantes detectar efeitos txicos dos biomateriais numa fase preliminar. As

    alteraes variam desde morte celular a alteraes de adeso celular, proliferao e

    atividade biossinttica. Os mtodos in vitro devem ser confrontados com a validao

    de extrapolao para a situao in vivo [40]. Os ensaios in vitro so testes

  • 17

    conduzidos em condies que simulam o meio com o qual o material estar em

    contato quando implantado, e permitem avaliar possveis mecanismos de reaes

    interfaciais entre o implante e os tecidos [6],[41],[42]. Os principais fatores que

    afetam a taxa de degradao de polmeros sintticos em meio biolgico so [13]: (i)

    estrutura do polmero, especialmente hidrofilicidade e a presena de grupos

    funcionais, massa molar e a distribuio de massa molar; (ii) estado fsico e

    morfolgico do polmero, particularmente se cristalino ou amorfo; (iii) condies

    ambientais (temperatura, pH, umidade, oxignio); (iv) razo superfcie/volume,

    tamanho e pureza do polmero [13]. A seleo das condies experimentais para os

    ensaios in vitro devem ser baseadas na relao estrutura/propriedades do polmero

    biomdico, componentes fisiolgicos e interaes no meio in vivo [43]. O primeiro

    passo para testar biomateriais potenciais so os testes de biocompatibilidade

    gerais, que permitem o reconhecimento de efeitos nocivos do biomaterial nas

    clulas, envolvem normalmente a utilizao de vrias linhagens celulares cultivadas

    em laboratrio durante longos perodos. A avaliao pode ser feita diretamente (em

    contato com o material), em extratos (detectando produtos lixiviados que possam ter

    efeitos nocivos) ou indiretamente (as clulas esto separadas do material por um

    gel ou uma membrana permevel). Estes mtodos devem ser seguidos de uma

    segunda fase in vitro, no qual so utilizadas clulas primrias relevantes para a

    aplicao proposta do sistema mdico. Os materiais com baixa toxicidade so

    sujeitos a testes de citocompatibilidade, na presena de clulas com as quais o

    material vai entrar em contato quando implantado [6],[40]. Os testes de

    biocompatibilidade especfica constituem uma forma de simular a situao in vivo

    to prximo quanto possvel. A elevada sensibilidade do mtodo permite o

    reconhecimento de potenciais materiais citotxicos excluindo numa fase inicial de

  • 18

    experimentao. No entanto, a experimentao in vitro, geral ou especfica, no

    pode substituir a experimentao in vivo. Ambas so necessrias para testar

    biomateriais potenciais [40]. Uma das principais desvantagens dos mtodos in vitro

    o problema fundamental de extrapolao para a situao in vivo. Os testes in vitro

    representam apenas uma parte do estudo da biocompatibilidade. As espcies

    classificadas como biocompatveis in vitro devem entrar numa fase seguinte de

    observao in vivo [29],[39],[40]. Os ensaios in vivo constituem a ltima etapa a que

    os biomateriais so sujeitos antes da fase do ensaio clnico; procuram avaliar a

    fora e a natureza da ligao implante-tecido sseo e a resposta biolgica do

    organismo hospedeiro presena do biomaterial, atravs da identificao e

    quantificao de tecidos e clulas circundantes [6],[41],[44],[45].

    3.5. Biomateriais degradveis e biodegradao

    3.5.1. Biomateriais degradveis

    Nas aplicaes clnicas importante distinguir polmeros biodegradveis e

    bioabsorvveis. Os polmeros biodegradveis so decompostos no corpo humano,

    mas os seus produtos de degradao permanecem nos tecidos durante bastante

    tempo. Os polmeros bioabsorvveis podem ser definidos como polmeros que

    degradam aps implantao em produtos no txicos, que so eliminados do corpo

    ou metabolizados [22]. Os materiais degradveis devem obedecer a parmetros

    mais estritos de biocompatibilidade que os materiais no degradveis. Alm do

    problema potencial de contaminantes txicos libertados pelo implante (monmeros

    residuais, estabilizantes, iniciadores de polimerizao), necessrio considerar a

    toxicidade potencial dos produtos de degradao e metablitos

  • 19

    subseqentes [15],[46],[31]. Um material biodegradvel quando implantado, entra

    em contato direto com os fluidos do corpo que difundem para o interior do polmero

    medida que ocorre degradao [46],[11],[47]. Os produtos de degradao so

    liberados para o tecido adjacente e, portanto devem ser biocompatveis. Os

    produtos de degradao podero dissolver-se nos fluidos extracelulares medida

    que so formados, sendo excretados pelos rins e pulmes [11],[26]. Os materiais

    biodegradveis utilizados em aplicaes clnicas devem ter propriedades mecnicas

    adequadas e taxas de absoro equivalentes s taxas de crescimento dos tecidos,

    sendo completamente reabsorvidos e gradualmente substitudos pelo novo tecido. A

    taxa de crescimento diferente para cada tecido dependendo da sua localizao no

    corpo humano. Aps a regenerao, os polmeros biodegradveis implantados

    devem ser degradados e absorvidos to rpido quanto possvel para minimizar

    efeitos indesejveis [22].No caso de implantes sseos, a degradao contnua de

    sistemas cirrgicos bioabsorvveis causa uma transferncia gradual de carga entre o

    osso e o elemento, previne o atrofiamento e estimula a remodelao

    ssea [48],[22],[26],[27]. Os materiais biodegradveis incluem substncias orgnicas

    e inorgnicas, mas a maior parte so polmeros orgnicos. Poli(-hidroxisteres),

    tais como poli(cido lctico), poli(cido gliclico) e seus copolmeros, encontram-se

    entre os polmeros sintticos aprovados para o uso clnico humano. Exibem

    biocompatibilidade, biodegradabilidade e so facilmente processados por tcnicas

    convencionais de moldagem [15],[26],[31],[27],[49]. A incorporao de partculas de

    hidroxiapatita nas matrizes assegura o comportamento bioativo do compsito, e

    resistncia. A aplicao de tratamentos antes da implantao para induzir a

    formao de uma camada de apatita na superfcie do material implantado, assegura

  • 20

    o carter de ligao do implante ao osso, por revestimento biomimtico da

    superfcie, sem aplicao de reforos bioativos.

    Outros materiais de relevncia incluem poli(ortosteres), poli(glicolide-co-

    trimetileno carbonato), poli(p-dioxanona), poli(anidridos), poli(caprolactona) (PCL),

    polihidrxibutirato e seus copolmeros[15],[27]. Os polmeros biodegradveis mais

    comuns na rea mdica so descritos na tabela seguinte [29].

    Tabela 03 Polmeros biodegradveis sintticos em engenharia de tecidos [29].

    Polmero Aplicao Poli(cido lctico (PLA)

    Poli(cido gliclico) (PGA) Polianidridos

    Poliortosteres Policaprolactona

    Policarbonato

    Polifumarato

    Osso, cartilagem

    Osso, liberao controlada de frmacos Liberao controlada de frmacos

    Sistemas de fixao biodegradveis Liberao controlada de frmacos

    Osso, sistemas de fixao biodegradvel Liberao controlada de frmacos

    Osso

    Todos os polmeros referidos na tabela anterior so biocompatveis. No

    entanto, para alm da biocompatibilidade, as suas propriedades mecnicas so

    igualmente importantes em aplicaes ortopdicas, devido s solicitaes

    contnuas [29].

    3.5.2. Biodegradao

    Os polmeros podem ser definidos quanto aos mecanismos e caractersticas

    de degradao em quatro termos: biodegradveis, bioabsorvveis, bioressorvveis e

    bioerodveis [31],[50]. A biodegradao tem sido definida de vrias formas por

    diferentes investigadores [46],[11],[51]. Inclui alteraes nas propriedades

    superficiais ou perda de resistncia mecnica, assimilao por microrganismos,

    degradao por enzimas, ruptura de ligaes da cadeia, reduo da massa molar

  • 21

    mdia do polmero, ou extrao de material de baixa massa molar, conduzindo a

    defeitos superficiais. A degradao pode ocorrer por um dos mecanismos anteriores

    ou a sua combinao [52],[50]. Durante o Second International Scientific Workshop

    on Biodegradable Polymers and Plastics,realizado na Frana no ano de 1991,foram

    consideradas as seguintes definies [13],[53]: i) degradao polimrica: variao

    das propriedades do polmero devido a variaes na estrutura qumica; ii) polmero

    biodegradvel um polmero no qual a degradao conduzida, pelo menos

    parcialmente, por um sistema biolgico; iii) polmero bioabsorvvel um polmero

    que pode ser assimilado por um sistema biolgico; iv) eroso reflete o processo de

    dissoluo ou desgaste da superfcie do polmero. Os efeitos da degradao de

    polmeros incluem [54]: i) variaes na estrutura qumica; ii) variaes na superfcie,

    pois muitas degradaes ocorrem na superfcie do material, onde os efeitos de

    degradao so mximos); iii) perda de propriedades mecnicas; iv) reduo na

    massa molar devido ciso da cadeia; v) gerao de radicais livres; vi) perda de

    aditivos e plastificantes; vii) enfraquecimento [54]. Os sistemas biodegradveis

    devem ser degradados in vivo, mas tambm formar produtos solveis facilmente

    removveis do local de implantao e excretados do corpo pelas vias metablicas

    normais. A biodegradao reflete os processos de degradao hidroltica,

    enzimtica e bacteriolgica dentro da matriz polimrica [53]. A biodegradao pode

    ocorrer a diferentes nveis estruturais: molecular, macromolecular, microscpico e

    macroscpico. A degradao pode iniciar-se por hidrlise, mas medida que o

    polmero destrudo, a rea superficial e acessibilidade aumentam, podendo

    predominar a degradao enzimtica. A definio de biodegradao deve incluir

    todos os tipos de degradao que ocorrem in vivo [50],[55]

  • 22

    Heller [55] definiu o termo polmero bioerodvel como a converso de um

    polmero insolvel num material solvel em condies fisiolgicas, sem atender ao

    mecanismo especfico envolvido no processo de eroso. A bioeroso indica a

    converso de polmeros insolveis em gua em polmeros solveis ou em pequenas

    molculas. O prefixo bio indica que a eroso ocorre em condies fisiolgicas [31].

    A eroso de polmeros envolve vrias etapas, que diferem para cada tipo de

    polmero. O objetivo determinar o passo controlador de reao. Na primeira etapa

    a gua tem contato com o polmero por acesso direto superfcie polimrica, ou

    penetra no interior deste por foras capilares. A degradao hidroltica de polmeros

    causa a ruptura do polmero em unidades menores. Esta reao pode ser catalisada

    em condies cidas, bsicas ou outras condies, como temperatura, luz,

    etc. [54],[49]. Os principais fatores que influenciam o processo de eroso so a

    estabilidade qumica da cadeia polimrica, a hidrofobicidade da unidade repetitiva, a

    morfologia do polmero, a cristalinidade, a massa molar inicial do polmero, a

    presena de catalisadores, aditivos, ou plastificantes, e a geometria do

    implante [31],[56]. A hidrofobicidade pode evitar a absoro de gua pelo polmero,

    reduzindo assim as taxas de hidrlise [56]. Em polmeros hidrofbicos, a

    degradao geralmente um fenmeno superficial com eroso lenta do polmero,

    em polmeros hidroflicos a degradao ocorre normalmente at o interior do

    material. Assim, qualquer tratamento que altere a hidrofobicidade do polmero, tais

    como orientao e cristalinidade, afeta a sua taxa de degradao [57].

    O processo de bioeroso de um implante polimrico est associado a

    variaes macroscpicas; nas propriedades fsico-mecnicas do material polimrico;

    e nas propriedades fsicas tais como inchamento, deformao, ou desintegrao

    estrutural; perda de peso e eventual perda funcional [31]. A bioeroso de um slido

  • 23

    no est apenas associada clivagem qumica da cadeia polimrica, a simples

    solubilizao do polmero como resultado de variaes no pH, pode conduzir

    eroso do slido [31].

    Baseado na susceptibilidade da estrutura polimrica hidrlise, possvel

    prever a tendncia de qualquer polmero bioeroso. No entanto, a taxa de eroso

    de um polmero slido no pode ser baseada apenas na estrutura da cadeia

    polimrica. A taxa de eroso fortemente dependente da capacidade das molculas

    de gua penetrarem na matriz polimrica [31]. Para um polmero ser degradvel e

    erodvel, os grupos hidrolisveis da cadeia principal devem estar presentes e

    acessveis [58]. A taxa de bioeroso influenciada pela morfologia do polmero. No

    estado cristalino, as cadeias polimricas so densas e regulares e oferecem

    elevada resistncia penetrao da gua na matriz polimrica. Conseqentemente,

    a taxa de hidrlise superior nas regies amorfas de um polmero semi-cristalino

    que nas regies cristalinas [31]. A taxa de hidrlise tende a aumentar com o

    aumento do nmero de grupos hidrolisveis na cadeia principal ou cadeia lateral,

    grupos polares que aumentam a hidrofilicidade, baixa cristalinidade, baixa

    densidade e elevada rea superficial/volume. Fatores que tendem a inibir as

    cinticas hidrolticas incluem misturas hidrofbicas, ligaes cruzadas, elevada

    cristalinidade devido orientao da cadeia, baixa carga e forma compacta [31].

    Uma vez que a superfcie do polmero o primeiro local de ataque na reao de

    hidrlise dos materiais polimricos, a estrutura superficial e rea superficial so os

    fatores mais importantes. Como as reaes ocorrem normalmente em meio aquoso,

    o balano hidroflico- hidrofbico do polmero afeta bastante a sua

    biodegradabilidade. Os polmeros que contm segmentos hidroflicos e hidrofbicos

  • 24

    tem maior biodegradabilidade do que os polmeros com estruturas hidrofbicas ou

    hidroflicas apenas [22].

    3.6. Quitina

    3.6.1. Breve histrico da quitina e quitosana

    A quitina foi isolada pela primeira vez em 1811 pelo professor francs Henri

    Braconnot. Ele a descobriu em cogumelos, recebendo ento a denominao inicial

    de fungina. O nome quitina foi dado por Odier, em 1823, que isolou esta substncia

    insolvel da armadura /carapaa dos insetos [59]. Em grego, quitina quer dizer

    tnica, envelope ou cobertura. Ela falhou em no detectar a presena de nitrognio

    na quitina e em afirmar que se tratava de uma substncia anteriormente encontrada

    em plantas. Posteriormente, Odier tambm observou a presena da quitina na

    carapaa de caranguejo e sugeriu que ela seria o material bsico na formao do

    exoesqueleto de todos os insetos e possivelmente dos aracndeos. Somente em

    1843, Payen descobriu que a quitina continha nitrognio em sua estrutura [60],[61].

    Apesar de a quitina ter sido descoberta h dois sculos, pesquisas e estudos

    de aplicaes foram intensificados por volta de 1970, quando se percebeu o grande

    potencial de aplicao que apresentavam tanto a quitina quanto a prpria quitosana.

    A quitosana foi produzida industrialmente pela primeira vez em 1971 no Japo e em

    1986 quinze indstrias produzindo quitina e quitosana, em escala comercial,

    existiam naquele pas. Atualmente, estes polissacardeos tm sido

    consideravelmente pesquisados e suas aplicaes so consideradas de elevado

    potencial para o sculo XXI. Acredita-se que num futuro bem prximo muitos

    materiais atualmente em uso iro perder seu lugar para estes biopolmeros por

  • 25

    apresentarem certas vantagens tais como: custo baixo, quantidades abundantes na

    natureza e biodegradabilidade [61].

    A quitina e a quitosana so biodegradadas sem acmulo excessivo na

    natureza, atravs do ciclo da quitina, conforme ilustrado na Figura 02. As enzimas

    hidrolticas envolvidas neste processo (lisozima, quitinase, quitina deacetilase e

    quitosanase) esto largamente distribudas nos tecidos e fluidos corpreos dos

    animais, nas plantas, alm de tambm se encontrarem presentes em

    microrganismos do solo.

    Figura 02 Ciclo da quitina.

    3.6.2. Fontes e Processos de obteno

    A quitina a segunda maior fonte de biomassa e o componente orgnico

    mais abundante na estrutura esqueltica de muitas classes de invertebrados, como

    os artrpodes, aneldeos, moluscos e celenterados, estando tambm presente nas

    paredes celulares de alguns fungos e em algumas espcies de algas [62].

    A taxa de regenerao da quitina na biosfera de cerca de 2,3 x 109

    toneladas/ano, somente para os crustceos, o que corresponde quase ao dobro da

    mesma taxa relativa celulose (1,3 x 109 toneladas/ano). Estima-se que, s nas

  • 26

    costas dos pases iberoamericanos, sejam produzidas anualmente cerca de 170 mil

    toneladas de resduos ricos em quitina, provenientes da indstria da pesca,

    aqicultura e indstrias de processamento de crustceos e moluscos. Esta

    produo corresponde a uma fatia de 12% no total dos resduos ricos em quitina

    produzidos em todo o mundo [63].

    Os restos das carapaas dos crustceos, alm de quitina, contm propores

    variadas de protenas, sais de clcio (fundamentalmente carbonatos e fosfatos de

    clcio) e pigmentos. Assim, o isolamento da quitina envolve normalmente trs

    operaes bsicas: 1) desproteinizao, 2) desmineralizao e 3) despigmentao.

    Para eliminao das protenas, a matria-prima normalmente tratada com

    uma soluo alcalina e levada a temperaturas que podem variar entre 65 a 100 C.

    Em alguns trabalhos foram adotadas solues aquosas de Na2CO3, NaHCO3, KOH,

    K2CO3, Ca(OH)2, Na2SO3, NaHSO4, Ca(HSO3)2, Na3PO4 e Na2S no isolamento das

    protenas, embora na maioria dos trabalhos seja escolhido o NaOH, variando

    ligeiramente o intervalo de temperatura, e de uma forma mais ampla, o intervalo de

    concentrao da base, o tempo de durao da operao e o nmero de

    operaes [63].

    O contedo mineral dos resduos dos crustceos oscila entre 30 e 55%, e

    constitudo principalmente por carbonato de clcio e, em menor proporo (10%),

    por fosfato de clcio. A remoo desta matria inorgnica realizada atravs de

    tratamento com vrios cidos a diferentes concentraes, como o HNO3, H2SO3,

    CH3COOH e HCOOH e, na maioria dos casos, o HCl [64].

    Os exoesqueletos dos crustceos contm pigmentos que no se encontram

    complexados com materiais inorgnicos ou protenas, no sendo eliminados pelos

    tratamentos mencionados. Estes pigmentos podem ser eliminados por extrao com

  • 27

    etanol ou acetona, depois do tratamento de desmineralizao, ou por tratamento

    com KMnO4, NaClO, SO2, NaHSO3, Na2S2O4 ou H2O2 [63],[64].

    Depois de realizadas as trs etapas para o isolamento da quitina, o material

    seco caracterizado de forma a definir as suas propriedades atravs de parmetros

    como, por exemplo, o grau de acetilao (GA) ou de desacetilao (GD = 1- GA).

    3.6.3. Estrutura da quitina

    A estrutura da quitina constituda por unidades de 2-acetamido-2-desoxi-D-

    glucose, tambm designada N-acetil-D-glucosamina (GlcNHAc), unidas por ligaes

    glicosdicas (1>4) (Figura 03). A sua estrutura bastante semelhante da

    celulose (Figura 04), na qual o grupo hidroxila do carbono 2 do anel de

    glucopiranose se encontra substitudo por um grupo acetamida.

    O

    O

    O

    H OH

    H

    H

    H

    OHH

    H

    NH

    CO

    CH3

    O

    H

    OH

    NH

    HC

    CH3

    O

    *

    n

    O

    H OH

    H

    H

    NH

    HC

    CH3

    O

    OHOH

    HH H

    Figura 03 Estrutura da quitina.

    O

    H OH

    H

    H

    O

    H

    O

    O

    O

    H OH

    H

    H

    H

    OHHH

    OH

    HH

    OH

    H

    *

    n

    OH OH

    HH

    OHOH

    Figura 04 Estrutura da celulose.

    Por ser um produto natural, a quitina no possui uma composio uniforme.

    As diferentes cadeias polissacardicas que compem o polmero apresentam

  • 28

    diferenas importantes ao nvel do tamanho, percentagem de grupos acetamida e

    posio destes grupos ao longo das cadeias polimricas. A nica exceo

    conhecida a quitina obtida a partir de algas diatomceas (Thalassiosira fluviatilis e

    Cyclotella cryptica), na qual todas as unidades monomricas so iguais [65].

    Aps a desacetilao da quitina, a quitosana caracterizada pelo seu grau

    de acetilao (GA), representado na Figura 05, na qual o GA tende a zero para a

    quitosana e a um para a quitina.

    O

    O

    O

    H OH

    H

    H

    H

    OHH

    H

    NH

    CO

    CH3

    O

    H

    OH

    NH2H

    H

    n

    OH

    H

    *

    m

    Figura 05 Estrutura qumica quitina/quitosana.

    Dependendo da sua origem, a quitina pode existir sob trs formas diferentes,

    definidas de acordo com a disposio das cadeias que constituem o polmero. Na -

    quitina, as cadeias polimricas apresentam-se em disposio antiparalela, na -

    quitina apresentam-se em disposio paralela e na -quitina verifica-se um misto

    das duas disposies, segundo o esquema da Figura 06.

    A forma mais estvel e mais abundante a -quitina, encontrada onde

    necessria maior rigidez, como no exoesqueleto dos artrpodes. As outras formas

    (-quitina e -quitina) so encontradas, por exemplo, nas lulas e so caracterizadas

    por apresentar simultaneamente flexibilidade e resistncia. Mediante tratamento

    qumico adequado possvel converter as formas ou na forma , no entanto,

    estas converses so irreversveis [66].

  • 29

    Figura 06 Orientaes das cadeias polimricas nas diferentes formas de quitina.

    3.6.4. Solubilidade

    A quitina apresenta uma afinidade limitada por solventes devido a forte

    ligao hidrognio intermolecular. Sua solubilidade em alguns solventes est

    relacionada com o tipo de matria-prima utilizada para sua obteno. A -quitina

    no solvel e no incha apreciavelmente em solvente comuns. Sendo solvel

    somente em solventes especiais como a N,N-dimetilacetamida (DMAc) e a N-metil-

    pirrolidona (NMP) contendo 5-10% em massa de LiCl. Misturas de DMAc e NMP

    contendo de 5-8% de LiCl so freqentemente empregadas para obter filmes por

    casting [63]. Metanol saturado com cloreto de clcio dihidratado, um solvente para

    nylons, foi utilizado para dissolver a quitina, embora o cloreto de clcio anidro

    aparentemente no tenha sido eficaz [67]. A -quitina obtida das cascas de siri,

    camaro e caranguejo, solvel em solventes do tipo hexafluoroisopropanol e

    hexafluoroacetona e completamente solvel em clorolcoois associados a

    solues aquosas de cidos minerais ou cidos orgnicos [68],[69].

    A quitina solvel em gua contm aproximadamente 50% de aminas livres,

    obtida pela desacetilao controlada [70]. A solubilidade obtida em condies de

    hidrlise homognea para assegurar a distribuio randmica dos substituintes

    acetila [70].

  • 30

    3.6.5. Degradao trmica

    Quando polmeros so aquecidos a temperaturas mais elevadas, vrias

    mudanas fsicas e qumicas podem ocorrer como formao de gases, lquidos,

    mudanas de cor, etc. A degradao trmica uma reao que envolve a ruptura

    das ligaes da cadeia principal, bem como em cadeias laterais. A capacidade do

    polmero em resistir decomposio qumica causada pelo aquecimento chamada

    de estabilidade trmica. A estabilidade trmica geralmente caracterizada pela

    temperatura na qual a decomposio do polmero se torna perceptvel, isto , pela

    formao de produtos e pela cintica do processo. Um dos fatores determinantes da

    estabilidade trmica do polmero a energia das ligaes da cadeia principal [71]. A

    ligao C-C uma das mais resistentes degradao trmica, sendo

    especialmente estvel no diamante. A presena de tomos de hidrognio na

    molcula do polmero (macromolcula) diminui a energia da ligao C-C, motivo

    pelo qual os hidrocarbonetos de alta massa molar e seus derivados possuem

    comparativamente baixa estabilidade, sendo facilmente degradados com o

    aquecimento a temperaturas mais altas [72]. Quitina e quitosana, quando aquecidas

    a temperaturas mais elevadas, sofrem degradao. Os termogramas da quitina e

    quitosana realizados por calorimetria de anlise trmica diferencial e

    termogravimtrica, mostraram um efeito endotrmico a 60 C (liberao da gua

    absorvida), seguido por fortes efeitos exotrmicos a 280 C e 480 C. A estabilidade

    trmica da quitina aumenta com o aumento do grau de acetilao, isto , quando a

    forma acetilada prevalece, o efeito exotrmico aparece em 320 C, enquanto que na

    forma desacetilada o efeito ocorre a 280C [73].

  • 31

    3.6.6. Aplicaes da quitina

    A quitina possui baixa toxicidade e inerte no trato gastrointestinal dos

    mamferos; biodegradvel, devido a presena de quitinase amplamente distribuda

    na natureza e encontrado em bactrias, fungos e plantas, e no sistema digestivo de

    muitos animais. As quitinases esto envolvidas na defesa contra a invaso de

    bactrias. As lisozimas obtidas a partir do ovo branco, figo e papaya, degradam a

    quitina e a parede celular bacterial. Foi demonstrado que um certo grau de

    desacetilao necessrio para permitir a hidrlise da quitina.

    A quitina apresenta grande variedade de usos, principalmente na indstria

    txtil, alimentcia e de cosmticos. Entretanto, sua maior aplicao encontra-se na

    produo de quitosana, que pode ser utilizada em diversas aplicaes.

    A quitosana produzida comercialmente pela desacetilao da quitina, com a

    hidrlise dos agrupamentos acetamida (NHCOCH3) para grupamentos amina (NH2).

    A quitina em especial se mostra mais favorvel aplicao em biomateriais

    devido ao grupamento acetamida, presente em maior quantidade em sua estrutura,

    comparado com a quitosana. Este grupamento muito similar ligao amida

    presente nas protenas que constituem o tecido vivo, fazendo a quitina ser mais

    biocompatvel que a quitosana. O grupamento amina, presente em maior

    quantidade na quitosana, tem ao hemosttica quando implantada como

    biomaterial.

    Esses dois polmeros, quitina e quitosana, nativos ou quimicamente

    modificados ocupam uma extensa rea de aplicao em vrios tipos de indstrias e

    tecnologias como tambm na medicina devido s caractersticas fsico-qumicas

    significativas e convenientes.

  • 32

    Tanto a quitina como a quitosana apresentaram baixa toxicidade em ensaios

    de laboratrio [74], tambm atividade farmacolgica como aceleradores de

    cicatrizao em pacientes diabticos [74],[75]. Lentes de contato feitas a partir da

    quitina so mais biocompatveis com relao s produzidas por plsticos

    sintticos [77]. Produtos baseados em quitina existem atualmente no mercado, sob

    a forma de p finamente dividido, tecidos-notecidos, esferas microporosas, gis

    liofilizados, laminados e filmes transparentes. Derivados da quitina em soluo

    salina podem ser administrados por via intramuscular ou endovenosa [78].

    Outro fator importante deve-se ao fato da quitina e a quitosana serem

    essencialmente no digeridas em humanos, j que ns no possumos em nossa

    flora intestinal, bactrias que contenham quitinases e quitosanases [79],[80],[81].

    Tais enzimas esto presentes em baixas concentraes na saliva e nos fluidos

    estomacais humanos, degradando quitina e quitosana em pequena extenso. A

    degradao hidroltica tambm ocorre no estmago, em pH entre 1 e 2 [82].

    Os efeitos dietticos da quitina e da quitosana em animais de teste tm sido

    examinados em vrios estudos. Coletivamente estes indicam que a toxicidade da

    quitosana relativamente baixa e esta apresenta substancial atividade

    hipocolesterolmica. A quitina parece ter menos efeitos txicos que a quitosana, no

    entanto no tem demonstrado atividade hipocolesterolmica consistente. Vale

    enfatizar que estudos em ratos tm sugerido que grandes quantidades de quitosana

    (>2.5% da dieta total) so necessrias para se observar uma significativa reduo

    do colesterol. Entretanto, o consumo de quitosana a nveis maiores que 5% podem

    causar efeitos adversos tais como alteraes hepticas (hepatomegalia), renais,

    reduo nos nveis de hemoglobina, hipotrofia, diminuio dos nveis de protenas

    sangneas, impedimento da converso do colesterol a coprostanol, que

  • 33

    normalmente ocorre devido ao das bactrias da flora intestinal. [83]. Apesar do

    uso da quitina e da quitosana em alimentos serem muito limitados, patentes e

    artigos cientficos tm sido publicados sobre este assunto nos ltimos anos. Dados

    os efeitos hipocolesterolmicos apresentados e a recente demonstrao por

    japoneses que a quitina pode ser incorporada em processos alimentares parece

    provvel o seu uso como ingrediente alimentcio [83].Atualmente no parecem

    existir comercialmente disponveis alimentos que contenham quitina como aditivo,

    sendo que os que utilizam a quitosana, hoje, so muitos poucos, por exemplo,

    alguns biscoitos dietticos, macarres e vinagres modificados [79]. Aplicaes da

    quitina e derivados podem ser classificadas de um modo geral em membranas para

    rim artificial, sistemas para liberao controlada de frmacos, suturas absorvveis,

    anticoagulante para sangue (tipo heparina), pele artificial, e aplicaes anti

    microbianas [78],[84]. Recentemente foi reportado um sistema de liberao

    controlada da frmacos por microesferas de quitina/poli(cido lctico) [84].

    3.7. Policaprolactona

    Um dos mais promissores polmeros sintticos biodegradveis a

    policaprolactona (PCL) (Figura 07), que biocompatvel, flexvel, apresenta baixo

    ponto de fuso (67C) [85],[86] e baixo mdulo, tipicamente 350-450 MPa [87],[88]

    que a inviabiliza como substituto sseo. um polister aliftico linear semi-

    cristalino, est sujeito a biodegradao devido a susceptibilidade de suas ligaes

    ster alifticas hidrlise. Os produtos gerados so metabolizados atravs do ciclo

    do cido tricarboxlico (TCA) ou eliminados diretamente pela secreo renal.

    Extensivos estudos de biocompatibilidade in vitro e in vivo tm sido realizados,

  • 34

    resultando na aprovao pelo rgo americano Food and Drug Administration (FDA)

    de um nmero de produtos mdicos e liberadores de

    medicamentos [89],[90],[91],[92]. PCL considerada um material compatvel com o

    tecido macio e rgido, incluindo suturas reabsorvveis, sistemas liberadores de

    frmacos, e como substituto sseo de enxertia. Contudo, aplicaes da PCL podem

    ser limitadas, porque as velocidades de degradao e reabsoro so menores do

    que as de outros polisteres alifticos, devido a sua hidrofobicidade e alta

    cristalinidade.

    CH2 C OO

    5* *n

    Figura 07 Estrutura qumica da poli (-caprolactona), PCL.

    .8. Poliuretano

    rrente sobre poliamidas (Nylons) realizado por Carothers para a Du Pont,

    USA [9

    icos,

    denominados uretanos, cujo grupo caracterstico mostrado na Figura 08 [94].

    3

    A descoberta do grupo de polmeros atualmente conhecido por poliuretanos,

    foi feita pelo Dr. Otto Bayer e seus colaboradores da I. G. Farbeindustrie,

    Leverjusen, Alemanha, atual Bayer A. G., como uma resposta ao trabalho

    conco

    3].

    Os poliuretanos (PU) so formados pela reao de adio entre um

    isocianato, composto que contm o grupo [-N=C=O] e um hidrognio cido (H+)

    existente em um outro composto. Esta reao de adio ocorre atravs da dupla

    ligao C=N, sendo a reao mais importante a que ocorre entre um isocianato e

    um composto que contenha o grupo OH (hidroxila), formando steres carbm

  • 35

    NH

    CO

    O

    GRUPO URETANO

    Figura 08 Grupo caracterstico dos poliuretanos.

    Estes polmeros so industrialmente importantes devido variedade dos

    grupos presentes entre as ligaes uretnicas, os quais podem dar origem aos mais

    diversos produtos, como elastmeros, plsticos, espumas, e pela possibilidade de

    polimerizao controlada pela formao de intermedirios estveis (pr-polmeros).

    Estes permitem a adaptao do processo e da composio para obteno de

    materiais que possam cumprir as mais variadas exigncias. A forma mais simples

    de um poliuretano a linear, na qual o composto hidroxilado e o isocianato possuem

    funcionalidade igual a dois. Porm, ao incorporar materiais com funcionalidade

    maior que dois, so produzidos poliuretanos reticulados (ou entrecruzados), os

    quais so resistentes mecnica e termicamente, alm de exibirem maior resistncia

    aos solventes, visto que so insolveis. Por estas razes, os poliuretanos podem

    ser sintetizados com grande variao nas propriedades fsicas [95],[96].

    A qumica envolvida na sntese de um poliuretano baseia-se nas reaes do

    grupo isocianato. Os grupos isocianatos so extremamente reativos e facilmente

    convertidos em grupos uretnicos sem formao de subprodutos. A alta reatividade

    dos isocianatos tambm pode gerar problemas, como danos sade e possveis

    reaes laterais no desejadas como a reao com a umidade do ar ou com grupos

    uretnicos ou uria da cadeia polimrica previamente formada.

    Os elastmeros de PU so uma classe de materiais que apresentam uma

    deformao altamente reversvel. Este tipo de comportamento requer uma alta

  • 36

    flexibilidade das cadeias, isto , um baixo grau de interao intermolecular e a

    presena de entrecruzamentos, os quais previnem uma deformao plstica

    causada pelo deslizamento das cadeias. A natureza do entrecruzamento pode ser

    fsica ou qumica, sendo ambas utilizadas nos elastmeros. O entrecruzamento

    fsico obtido atravs da formao de ligaes de hidrognio, as quais levam

    formao de domnios rgidos. J o entrecruzamento qumico introduzido via

    constituintes tri- ou multifuncionais. Uma vez introduzido, o entrecruzamento

    qumico produz uma rede irreversvel, a qual no pode ser facilmente destruda por

    tratamento trmico, como ocorre no entrecruzamento fsico [97].

    Poliuretanos com ligaes cruzadas fsicas ou virtuais constituem um tipo de

    copolmeros em bloco, formados por segmentos flexveis e rgidos alternados.

    Devido diferena de polaridade e natureza qumica dos blocos, estes se separam

    originando duas fases, formadas pela agregao dos segmentos rgidos e flexveis.

    Os segmentos rgidos, contendo os grupos uretnicos associam-se em domnios

    altamente coesos devido formao de ligaes de hidrognio (Figura 09). Assim,

    os segmentos rgidos atuam como pontos de entrecruzamento fsico. Poliuretanos

    segmentados so desta forma, polmeros constitudos de duas fases (bifsicos),

    sendo que as propriedades do material so afetadas pela extenso da

    separao [97].

    Alm da razo rgido/flexvel entre segmentos e a natureza qumica destes, a

    morfologia dos poliuretanos afetada por uma srie de outro fatores, tais como

    condies de polimerizao, reatividade relativa entre as hidroxilas do macroglicol e

    as do extensor da cadeia, compatibilidade entre os reagentes, efeitos de

    concentrao, partio dos reagentes entre fases e viscosidade, para citar os mais

  • 37

    relevantes. A correlao entre algumas destas variveis com a morfologia final e

    comportamento fsico destes materiais tem sido objeto de intensa pesquisa [97].

    Os elastmeros de PU so obtidos atravs de dois procedimentos bsicos: a

    tcnica do pr-polmero e o mtodo em uma etapa (one-shot process). Dentro do

    mtodo do pr-polmero, um diisocianato e um diol de cadeia longa so misturados

    em quantidades pr-estabelecidas, de modo a se obter uma concentrao

    especfica de segmentos rgidos e flexveis, sendo que a reao conduzida at

    que todos os grupos hidroxilas sejam consumidos. Quando um excesso de grupos

    isocianatos utilizado, a molcula de pr-polmero formada tem a terminao NCO,

    sendo que a razo [OH]/[NCO] determina a massa molecular do pr-polmero [97].

    Figura 09 representao esquemtica da separao de fases em poliuretanos

    segmentados.

    As principais reaes da qumica dos poliuretanos so as seguintes [97]:

    - Formao da ligao uretnica

    R NCO OH R' R NH

    C O R'O

    + (1) - Formao da ligao uria

    R NCO NH2 R' R NH

    C N R'O H

    + (2)

  • 38

    - Reao com gua

    R NCO + R NH

    CO

    OHH2O R NH2 + CO2 (3)

    Formao de alofanato -

    OOH

    R NCO N C N C OOCRNH O

    + (4)

    -Formao de biureto

    O HO HHR NCO N C N N C N

    CRNH O+

    (5)

    Para preparar um segmento de PU linear (sem ligaes

    reaes 4 e 5 devem ser eliminadas, sendo que a reao 2 uma conseqncia da

    reao

    cruzadas), as

    3. Alofanatos so formados a uma velocidade de reao considervel em

    temperaturas entre 120 e 150C, sendo que esta reao tambm pode ocorrer a

    temperaturas mais baixas quando um excesso de isocianato est presente. A

    formao de biureto ocorre na mesma faixa da temperatura que a de alofanato. A

    propriedade bsica dos grupos alofanato e biureto sua baixa estabilidade trmica,

    desde que a dissociao aos componentes de partida ocorre a partir de 150C. Isto

    significa que o material que foi quimicamente entrecruzado com grupos alofanato e