Preparacão e caracterização de hidrogéis para aplicações biomédicas

Abstract

Presentemente, o estudo da libertação controlada de fármacos, tem recebido bastante atenção por parte da comunidade científica, devido às suas aplicações biomédicas. A maneira de controlar a libertação passa pela formulação dos sistemas, sendo que a maioria deles se baseia em polímeros, copolímeros e misturas de polímeros com outros materiais. Atendendo às suas propriedades, nomeadamente biocompatibilidade e biodegradação, os polissacarídeos, como o Dextrano ou Quitosano apresentam-se como materiais poliméricos promissores para a sua aplicação, nomeadamente em géis – veículos de drogas de aplicação tópica muito utilizados em farmacologia. Actualmente existem diversos estudos envolvendo este tipo de materiais e respectiva aplicabilidade como biomaterial focando-se a maioria deles na necessária modificação para a obtenção de velocidades de libertação de fármacos desejáveis. Todavia, e apesar dessa quantidade de trabalhos, ainda existem poucos estudos sobre a influência do tempo de reacção e dos métodos reaccionais nas características finais dos géis. O objectivo deste trabalho centrou-se na síntese de copolímeros de enxerto (“graft”) de bases Dextrano e Quitosano, usando, como comonómero a NIsopropilacrilamida (NIPAAm), com intuito de preparar copolímeros termossensíveis. Para além das diferentes sínteses, efectuaram-se também estudos sistemáticos ainda inexistentes na literatura, nomeadamente a influência do tempo de reacção na copolimerização do gel e nas características inerentes à mesma, tais como: o perfil de incorporação e libertação de água, a Temperatura crítica de solução inferior, as energias de superfície e respectivos ângulos de contacto e os perfis de incorporação e libertação de fármacos. x A escolha daquele monómero (NIPAAm) ficou a dever-se às características do polímero resultante, nomeadamente a sua termossensibilidade na região da temperatura corporal humana (a temperatura de solução crítica inferior do polímero em água é de 32,5ºC), sendo ideal, por isso, para servir de base a biomateriais. Os polímeros base foram dissolvidos nos meios aquosos apropriados (água para Dextrano e ácido acético com concentração de 5% (v/v) para o Quitosano). A reacção de copolimerização de enxerto foi realizada seguindo diferentes metodologias. A primeira consistiu na introdução do copolímero com recurso a radiação de alta energia, nomeadamente a radiação . A segunda foi realizada com a utilização de um iniciador químico, o Nitrato de Cério-Amónio (IV) que introduzia radicais nos grupos hidroxilo dos polissacarídeos que, por sua vez iniciavam a reacção de polimerização. Finalmente a terceira, consistia na introdução, primeiramente, de grupos vinílicos no anel de Dextrano, com recurso a um isocianato com ligação dupla numa das pontas e, seguidamente, utilizando um fotoiniciador, Irgacure®2959 e radiação UV efectuou-se a polimerização. Para o estudo de libertação de fármaco foi utilizado como exemplo o Ondansetron ®, um antiemético utilizado com frequência durante o tratamento de quimioterapia por parte dos doentes de cancro, de forma a prevenir os vómitos associados a este tipo de tratamento, a ser aplicado como um patch. Para além das diferentes técnicas de polimerização, foram utilizados diferentes tempos de reacção de forma a avaliar a influência deste na constituição química de cada sistema. Diferentes técnicas de caracterização foram utilizadas durante este trabalho. Para avaliar a quantidade de co-polímero introduzido em cada sistema foram realizadas análises elementares, em particular a determinação da percentagem de azoto presente em cada sistema, FTIR-ATR e 1H-NMR. Os resultados mostraram que todos os sistemas apresentavam aumentos significativos na quantidade de copolímero introduzida com o aumento do tempo de reacção. Foi também estudada a variação da Temperatura de solução crítica inferior de cada sistema com recurso à espectroscopia do visível, observando-se um aumento desta com o aumento da concentração de NIPAAm no sistema e, consequentemente com o tempo de reacção xi utilizado em cada um. Estudos da energia de superfície mostraram que todos os sistemas apresentavam valores que mostravam a adesão destes à pele e a sua aplicação como patches de libertação controlada de fármaco. Finalmente, os estudos de libertação de água e fármaco mostraram que os sistemas se comportavam como hidrogéis e, ao mesmo tempo, como sistemas de libertação controlada, apresentando libertação variável com a temperatura do ensaio, devido à presença do co-polímero termossensível no sistema. Globalmente, os resultados obtidos mostram que é possível a obtenção de géis com características distintas, tais como absorção de água ou libertação de fármacos, permitindo a sua aplicabilidade num leque vasto de aplicações. Dado que a medicina requer a preparação de materiais com características facilmente manipuláveis, este trabalho foi um contributo importante para o esclarecimento de alguns dos parâmetros que controlam essas variáveis, nomeadamente, a temperatura crítica de solução e consequente alteração nas outras características do gel, como perfil de libertação do fármaco.

Due to their biomedical applications controlled drug delivery studies have received recently much attention from the scientific community. The way to control the release depends on the used materials in the formulation, and most of the used systems are polymers, copolymers or a mixture of polymers with other materials. Due to their properties, such as biocompatibility and biodegradability, polysaccharides, such as chitosan and dextran appear as promising polymeric materials for these applications, especially gels drug carriers for topic applications extensively used in pharmacology. At the moment there are different studies regarding these types of materials and their applications as biomaterials, most of them focusing their modifications to obtain the necessary pattern of drug release. Nonetheless, and although the large amount of studies published, only a few of them study the influence of the reaction time and the different reaction methods on the final characteristics of gels. The aim of this work was to prepare graft polymer hydrogels from chitosan and dextran using as a comonomer N-Isopropylacrylamide. The choice of this particular monomer has due to its thermoproperties, especially because it presents a Low Critical Solution Temperature near the human body temperature. Besides the different types of reaction synthesis, we performed some studies about the influence of the graft copolymerization time on the final characteristics of each gel, such us, incorporation and release of water, the lower critical solution temperature, surface energies and contact angles and the release pattern. The starting polymers were dissolved on the appropriate aqueous media (simple water for dextran, and 5% (v/v) acetic acid for chitosan). The graft copolymerization was initiated by gamma irradiation, by using ammonium cerium (IV)–nitrate radical initiator which created free radicals in the hydroxyl groups of the polysaccharide or by photopolymrization. In this case a double bond was introduced by reacting the polysaccharide with an isocyanate with one double bond. A biocompatible photoinitiator, Irgacure®2959 for the photopolymerization was applied. As model drug we used a potent antiemetic substance used in the prevention of chemotherapy-induced nausea and vomiting, Ondansetron® which was incorporated in the gel both before and after the copolymerization, to be applied as a patch. Different characterizations were made during this work. To evaluate the amount of copolymer introduced in each system, elemental analysis, FTIR-ATR e 1HNMR, were performed to each system, to determine the total amount of Nitrogen present. The results showed that all systems presented significant increase in the total amount of copolymer introduced with the increase of the reaction or irradiation time. We studied also the lower critical solution temperature of each system, using UV-Vis spectroscopy, where we could verify the increase in the value of this property with the increase of the comonomer concentration, and, the reaction time. Surface energy studies showed that all systems presented values allowing adhesion to the skin and their application as patches for controlled release of drugs. Finally release studies of both water and drug showed that all systems behave as hydrogels and, at the same time, as drug delivery systems, showing different release rates according with the temperature of each essay, due to the presence of the thermosensitive copolymer in the system. Globally, the results obtained shown that it is possible to obtain gels with different characteristics, such as water uptake or release of drugs in a controlled way, allowing the usage of all gels for different applications. Due to the fact that medicine nowadays needs the preparation of materials with characteristics that can be easily changed, this work was an important contribute to enlighten the influence of some parameters that control those characteristics, e.g., Low critical solution temperature and all the characteristics of each gel, like the release pattern.