Desenvolvimento de Materiais Híbridos com Aplicações

Biomédicas

JULHO DE 2014

Prof. Joana Lancastre

Introdução

Os materiais híbridos são materiais constituídos por uma componente orgânica (polímero - PDMS) e uma componente inorgânica (alcóxido metálico - TEOS).

A parte orgânica confere ao material características como a flexibilidade, baixa densidade e insolubilidade.

A parte inorgânica confere ao material características como a fragilidade, dureza, transparência e estabilidade térmica.

Nestes materiais, o tipo de ligação que se estabelece entre os diferentes componentes são do tipo covalente

Ligação covalente

PDMS TEOS

Procedimento Experimental

1 – Preparação das amostras

Prepararam-se 10 amostras com uma massa total de 5g.

Todas as amostras continham igual percentagem de PDMS, de Teos e de PrZr (catalisador que melhora as propriedades térmicas e mecânicas do material).

2 das amostras não possuíam qualquer adição de cálcio (na forma de acetato de cálcio) – controlo.

Os sucessivos pares de amostras possuíam diferentes quantidades de cálcio.

Seguidamente selou-se as amostras com azoto gasoso para evitar a formação de radicais livres de oxigénio atmosférico e que estes interfiram na reação dos diferentes componentes.

Procedimento Experimental

2 – Cálculo dos débitos de dose e tempos necessários usando o programa UTR-dose rateCálculo das taxas de doses atuais para cada posição e do tempo de irradiação através do programa UTR-dose rate.Preencher a folha de requisição de investigaçãoColocar as amostras nas respetivas posições da caixa colocada na grelha do irradiador de 60Co da Unidade de Tecnologias de Radiação (UTR).

Caracterização das Amostras por Análise Térmica

3.1- Análise Termogravimétrica (TGA)A termogravimetria mede a perda de material em função da temperatura sob uma amostra controlada. As suas aplicações principais são a medida da térmica de um material e a sua composição.Esta técnica possibilita caracterizar uma vasta gama de materiais, além de polímeros e de materiais orgânicos e inorgânicos.

Caracterização das Amostras por Análise Térmica

3.2- Análise de calorimetria de varrimento diferencial (DSC)

Esta técnica regista o fluxo de energia calorífica associado a transições nos materiais, em função da temperatura. É um método de variação entálpica, no qual a diferença de fornecimento de uma temperatura é medida.

Estas medidas fornecem dados qualitativos e quantitativos em processos endotérmicos e em processos exotérmicos, permitindo obter informações referentes a alterações de propriedades físicas e químicas dos materiais.

Caracterização das Amostras por análise térmica do Polímero Irradiado

Caracterização das Amostras por análise térmica do Material Híbrido

Caracterização das Amostras por análise térmica

No gráfico anterior observa-se que a temperatura de decomposição do polímero é 242°C.

A quantidade de resíduo foi de 0,2mg, pelo que podemos concluir que todo o polímero se decompôs uma vez que tem origem orgânica.

A temperatura de degradação do material híbrido é semelhante à do polímero, uma vez que tem cálcio na composição.

No material híbrido a massa de resíduo é mais elevada, uma vez que apresenta uma parte inorgânica que se decompõem a temperaturas mais elevadas.

O DSC do polímero e do material híbrido apresentam um pico exotérmico que corresponde à libertação de energia associada à quebra das ligações. No material híbrido o valor da energia exotérmica é superior à do polímero uma vez que tem uma componente inorgânica (Si, PrZr) o que faz aumentar a resistência térmica dos materiais.

Caracterização das amostras por espetroscopia de infravermelhos – FTIR

4 – Espetroscopia de infravemelhosA espectroscopia de infravermelho mede a absorção de radiação infravermelha por ligações químicas num material.

A luz infravermelha, ao incidir numa molécula, provoca a excitação dos modos vibracionais. Quando a energia radiante corresponde à diferença entre dois níveis energéticos vibracionais a absorção ocorre.

Caracterização das amostras por espetroscopia de infravermelhos – FTIR

4.1 - Procedimento para a preparação das amostras para a análise de FTIRA análise das amostras por FTIR pode envolver dois métodos dependendo do tipo da amostra:Se as amostras se apresentam em forma de pó, estas deverão ser preparadas pelo método das pastilhas de KBr (brometo de potássio). As pastilhas são preparadas misturando uma pequena quantidade da nossa amostra com KBr. Os dois pós deverão ser pulverizados , misturados e prensados de modo a se obter uma pastilha o mais transparente possível e de aspecto vítreo.

Caracterização das amostras por espetroscopia de infravermelhos – FTIR

• Se a amostra for um filme ou em forma de gel, e se o equipamento tiver um acessório de ATR a amostra não precisa de qualquer preparação.

• O feixe de luz infravermelha passa pelo cristal de tal modo que reflete pelo menos uma vez na superfície interna que está em contacto com a amostra . Esta reflexão forma uma onda evanescente que se estende até à amostra.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

703

2962

3448

506

2962

2905

788

70086

4

502

1413

1944

661

1010

1081

1258

1412

2905

Diminuição da intensidade na banda 2962 cm-1(estiramento C-H em CH3) devido à quebra de ligações pela radiação.

Diminuição da intensidade da banda 1268 e 788 cm-1 (CH3 balanço e CH3 rotação respetivamente) também devido à radiação.

A banda larga com 2 picos a 1010 e 1081 (estiramento simétrico e assimétrico do Si-O-Si respetivamente) tinha igual intensidade e depois da irradiação a intensidade diminuiu. Isto reflete o crescimento da rede por ligação cruzada.)

FTIR PDMS …

FTIR Material Híbrido

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 5000

20

40

60

80

100

120

%T

ran

sm

itâ

nc

ia

Comprimento de onda (cm-1)

0Ca 0.015Ca

33PDMS-66.85TEOS-0.15PrZr+xCa (wt%)

-OH

C-H estiramento no CH3

C-H balanço do CH3 na Si-CH3C

-H r

ota

ção

do

CH

3 e

m S

i-C

H3

Si-O-Si

C-H balanço em CH3

A banda de OH deve-se ao acetato de cálcio , uma vez que é bastante hidroscópio (absorve água) e por isso apresenta moléculas de H2O na sua superfície.

O FTIR não apresenta bandas características de PrZr uma vez que este existe na amostra em pequenas quantidades.

As restantes bandas observadas devem-se ao PDMS.

Modos vibracionais

Estiramento simétrico Estiramento assimétrico

Torção (twist)

Tesoura (dobramento angular)

Balanço (wag) Rotação

Conclusões

Os materiais híbridos podem ser preparados por irradiação, em vez da síntese química normal.

Antes destes materiais serem utilizados na área de biomateriais devem ser caracterizados e testados.

A sua caracterização estrutural pode ser feita por TGA, DSC e FTIR.

No futuro estudos de bioatividade (ensaios SBF), de biocompatibilidade (ensaios celulares) e de ensaios mecânicos devem ser realizados.

Trabalho realizado por:•Diogo Faria•João Faria (convidado)•Ricardo Carioca•Salomé Neto