XVII ENCONTRO DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA Universidade de Fortaleza 16 a 18 de outubro de 2017

Transcrição

1 XVII ENCONTRO DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA Universidade de Fortaleza 16 a 18 de outubro de 2017 Difratometria de raios-x em análise de biomateriais: microcápsulas biopoliméricas contendo alantoína para fins terapêuticos. Hilana Bezerra Moura Frota¹* (PQ), Evaristo José Pires Pereira ¹ (PG), Jane Eire Silva Alencar de Menezes¹ (PQ), Luiz Gerson Lima Júnior² (PQ). 1.Mestrado em Recursos Naturais - MARENA, Universidade Estadual do Ceará, Fortaleza-CE. 2.Engenharia Ambiental e Sanitária, Universidade de Fortaleza, Fortaleza-CE. hilanaf@hotmail.com Palavras-chave: Difratometria de Raios X. Galactomanana. Alantoína. Encapsulamento Resumo A difração de raios X(DRX) é uma das técnica mais utilizadas para observar e caracterizar microestruturas. Cada sólido apresenta um único padrão de DRX, o que certifica sua identificação e permite a avaliação da organização estrutural assumida pelos sistemas microparticulados. No âmbito farmacêutico, a DRX pode ser utilizada para auxiliar na compreensão das estruturas de sistemas de liberação de fármacos. Biomateriais são materiais naturais ou sintéticos utilizados em aplicações médicas, ou em contato com sistemas biológicos. Os biopolímeros são especialmente adequados como material formador de parede em sistemas de liberação controlada e na proteção de materiais ativos devido à estrutura de suas cadeias, que permitem mobilidade e controle da porosidade. Em geral, polímeros naturais, apresentam diversidade de aplicações, que incluem: atuar como membranas ou envelopes, em matrizes nas quais o ingrediente ativo é disperso ou dissolvido. Este trabalho, tem como objetivo analisar, através da técnica de DRX, a formação de uma parede polimérica em microcápsulas de galactomanana, polissacarídeo neutro, extraído do endosperma de sementes de Delonix regia, contendo alantoína, um pó branco, cristalino que favorece a proliferação celular, destinadas a possíveis tratamentos de regeneração celular cutânea. Introdução A química analítica compreende o conjunto de técnicas e métodos que visam caracterizar a natureza e determinar a composição de amostras de diferentes origens, em termos de elementos, espécies ou agrupamentos de átomos ou moléculas (CIENFUEGOS; VAITSMAN, 2000). Os métodos analíticos geralmente são classificados como sendo clássicos ou instrumentais. Esta classificação é em grande parte histórica, pois os métodos clássicos, as vezes chamados métodos de via úmida, precederam por um século ou mais os métodos instrumentais. Estes, por sua vez, são mais modernos no campo de separação e determinação de espécies químicas, pois acompanhou o desenvolvimento das industrias eletrônicas e de computação. Dos métodos instrumentais existentes, se destaca, para este trabalho, a Difração de Raios X - DRX (SKOOG; HOLLER; NIEMAN, 2002). A caracterização microestrutural de um material está intimamente relacionada com as propriedades do mesmo. Os materiais metálicos são predominantemente cristalinos e na caracterização da microestrutura interessa determinar fases presentes, contornos de grãos e defeitos cristalinos. Nos materiais magnético 1

2 cristalinos interessa identificar defeitos bidimensionais específicos, tais como fronteiras de domínio magnéticos. Por outro lado, numerosas ligas podem, em condições especiais, ser obtidas totalmente amorfas ou parcialmente cristalinas (PADILHA, 2000). Muitos materiais, tais como as cerâmicas tradicionais, contém também fases amorfas e poros. Já os materiais poliméricos, são totalmente amorfos (algumas resinas termorrígidas ou termofixas, e alguns termoplásticos) ou, parcialmente cristalinos (a maioria dos termoplásticos). No caso dos termoplásticos parcialmente cristalinos, a fase cristalina geralmente está dispersa numa matriz amorfa. Também é possível obter alguns polímeros termoplásticos totalmente cristalino (PADILHA, 2000). Uma caracterização microestrutural desejável envolve a determinação da estrutura cristalina, composição química, quantidade, tamanho, forma e distribuição das fases. A determinação da natureza, quantidade (densidade) e distribuição dos defeitos cristalinos também é, em muitos casos, necessária. Além disso, a orientação preferencial das fases (textura e microtextura) e a diferença de orientação entre elas também tem estreita relação com o comportamento dos materiais. As espécies presentes na microestrutura apresentam características bastante diferenciadas e exigem um número relativamente grande de técnicas complementares para a sua caracterização (PADILHA, 2000). A determinação da estrutura cristalina normalmente envolve a utilização de técnicas de difração, tais como difração de raios-x, elétrons ou nêutrons. Cada sólido apresenta um único padrão de DRX, o que certifica sua identificação e permite a avaliação da organização estrutural assumida pelos sistemas microparticulados obtidos, auxiliando na compreensão do perfil de liberação apresentado por cada sistema (PHADNIS, 1997). Dentre as vantagens da técnica de difração de raios X para a caracterização de fases, destacam-se a simplicidade e rapidez do método, a possibilidade de análise de materiais compostos por uma mistura de fases, uma análise quantitativa destas fases, e a confiabilidade dos resultados obtidos, pois o perfil de difração obtido é característico para cada fase cristalina. As técnicas de preparo de amostras para ensaios dependem de fatores como materiais, equipamentos e propósito do ensaio, isto é, qualitativo ou quantitativo, por isso não existem um simples método de preparação de amostras (SILVA, 2012). No âmbito farmacêutico, a difração de raios-x (DRX) pode ser utilizada na determinação de proteínas e na descoberta de novas substâncias, além de auxiliar na compreensão das estruturas dos sistemas de liberação de fármacos (DONG; BOYD, 2011). A difração de raios X acontece segundo a Lei de Bragg, a qual estabelece a relação entre o ângulo de difração e a distância entre os planos que a originaram (característicos para cada fase cristalina) (ALBERS et al., 2002). No equipamento de DRX, um feixe de raios X é lançado sobre um conjunto de planos cristalinos, com distância interplanar d, formando um ângulo θ. Ao incidir no plano cristalino, o feixe de raios X será refletido com mesmo ângulo de incidência e logo após é captado por um detector, que irá fazer a leitura dos dados. Se a diferença entre os caminhos ópticos for um número inteiro de comprimentos de ondas, isso resulta em difração (RANGEL, 2011). Esses equipamentos podem ter diferentes formas, tipos e materiais, dependendo da finalidade da amostra (Figura 1). 2

3 Figura 1: Parte interna do difratômetro de raio-x do departamento de Física da Universidade Federal do Ceará Fonte: Próprio autor, Ao incidirem no cristal, os feixes de raios X irão ser refletidos e detectados por um tubo de Geiger-Muller, que serve para medir diferentes tipos de radiações, sendo depois levados a um aparelho de contagem, que irá fornecer um gráfico informando o ângulo de incidência e a intensidade de cada elemento contido naquela amostra (RANGEL, 2011). O feixe difratado é normalmente expresso através de picos que se destacam do background (ou linha de base), registrados num espectro de intensidade versus o ângulo 2θ (ou d), constituindo o padrão difratométrico ou difratograma. Para analisar qual a fase do cristal, é necessário utilizar o método de Rietveld, que utiliza bancos de dados que contém os padrões difratométricos de vários tipos de materiais, para fazer comparações com o difratograma calculado, onde irá comprovar qual será a fase da amostra quando os picos de maiores intensidades coincidirem com um dos padrões salvos na base de dados (RANGEL, 2011). Biomateriais são materiais naturais ou sintéticos utilizados em aplicações médicas ou em contato com sistemas biológicos. Os biomateriais com base em materiais poliméricos ou compósitos são bastante usados em sistemas de liberação controlada de fármacos ou como suporte para tecido celular (SOARES, 2005). Os polímeros são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou naturais. São baseados nos átomos de carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, flúor e em outros elementos não metálicos. A ligação química entre os átomos da cadeia é covalente, enquanto a ligação intercadeias é fraca, secundária, geralmente dipolar. Os materiais poliméricos são geralmente leves, isolantes elétricos e térmicos, flexíveis e apresentam boa resistência à corrosão e baixa resistência ao calor ( PADILHA, 2000). Os biopolímeros são especialmente adequados como material formador de parede em sistemas de liberação controlada e na proteção de materiais ativos devido à estrutura de suas cadeias, que permitem mobilidade e controle da porosidade. Em geral, polímeros naturais, apresentam diversidade de aplicações, que incluem, atuar como membranas ou envelopes, em matrizes nas quais o ingrediente ativo é disperso ou dissolvido. Esse é o caso da galactomanana (Figura 2) que, neste trabalho, funciona como agente 3

4 encapsulador, o qual é um polissacarídeo neutro, extraído do endosperma de sementes de vegetais, como é o caso da Delonix regia (ROGOVINA, 1998). Figura 2: Estrutura da Galactomanana obtida a partir das sementes de Delonix regia. Fonte: SOUZA, Como agente encapsulado, tem-se do fármaco alantoína (Figura 3), um pó branco, cristalino, também chamado de 5-ureidohidantoina, glioxildiureido ou cordianina, de origem orgânica, que favorece a proliferação celular acelerando a epitalização em zonas lesadas da pele ou submetidas a um grande desgaste, ou a intempéries do tempo (MOFFAT et al.,1978; BERINGER, 1995; BUDAUARI,1996).. Figura 3: Estrutura química da Alantoína (2,5-dioxo-4-imidazolidiniluréia). Fonte: ARAUJO, Este trabalho, apresenta como objetivo analisar, através da técnica de DRX, a formação de uma parede polimérica nas micropartículas em formato de cápsulas (microcápsulas) de galactomanana contendo alantoína, destinadas a possíveis tratamentos de regeneração celular cutânea. Metodologia Para realização das análises propostas neste trabalho, foram utilizadas microcápsulas produzidas através do método de secagem por atomização em aparelho de spray dryer Buchi-290, usando temperatura de entrada de 120 ºC; temperatura de saída de 90 ºC; eficiência do exaustor de 90% e fluxo de bomba de 30%, no Laboratório de Polímeros Naturais LABPIN da Universidade Federal do Ceará. Em seguida, as amostras de micropartículas foram analisadas em difratômetro Panalytical, Xpert Pro MPD do Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará, utilizando radiação CoKα, uma tensão de 40 kv e uma corrente de 40 ma. A taxa de varredura empregada foi de 0,5 min -1 em região de 3 a 90 de ângulo de difração (2θ). 4

5 Resultados e Discussão A DRX é uma técnica que pode ser utilizada para confirmar a eficiência de encapsulação de fármacos em microcápsulas, em que a ausência dos picos de difração do fármaco cristalino (Alantoína) nas mesmas indica a eficiência de encapsulação, devido à dispersão formada na matriz polimérica. Na análise do difratograma de raios-x da galactomanana, observam-se picos largos não definidos, o que mostra que esta substância não apresenta cristais e portanto possui estrutura amorfa (VENDRUSCOLO, et al.,2009; LIMA et al., 2006). O estado cristalino da alantoína foi evidenciado no difratograma de DRX; o perfil exibiu vários picos bem definidos em 2Ɵ. Estes picos que evidenciam a cristalinidade do fármaco foram assinalados na Figura 4. O difratograma das microcápsulas contendo alantoína apresentou picos semelhantes do biopolímero puro, indicando que o fármaco pode estar encapsulado no sistema, na forma amorfa (Figura 4). Figura 4: Difratograma de raios-x das amostras de galactomanana (GAL), de alantoína (ALA) e microcápsulas galactomanana/alantoína (GLM). Fonte: Difratômetro de raios-x do Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará (2015). Conclusão Os resultados das análises de DRX nas amostras mostraram que o material obtido pelo processo de encapsulamento apresentou estruturas de superfície vítreas (amorfa) sem a formação de picos definidos durante passagem de raio-x. A ausência de cristalinidade das microcápsulas evidenciadas no difratograma apresenta relação direta com a obtenção de uma matriz íntegra, e mais eficiente na proteção do fármaco alantoína presente no material. Este resultado é bantante relevante e credencia o sistema desenvolvido como uma alternativa para formação de fármacos naturais encapsulados destinados a possíveis tratamentos de regeneração celular cutânea. No entanto, mais estudos são necessários antes que uma etapa de avaliação pré-clínica possa ser postulada. 5

6 Referências ALBERS, A. P. F.; MELCHIADES, F. G.; MACHADO, R.; BALDO, J. B.; BOSCHI, A. O. Um método simples de caracterização de argilominerais por difração de raios X. Revista Cerâmica, V. 48, n. 305, CIENFUEGOS, F; VAITSMAN, D. Análise Instrumental. Rio de Janeiro: Interciência, DONG, Y. D.; BOYD, B. J. Applications of x-ray scattering in pharmaceutical science. International Jornal of Pharmaceutics, v. 417, n. 1, p , LIMA, C. G. A.; OLIVEIRA, R.S.; FIGUEIRÓ, S. D.; WEHMANN, C. F.; GÓES, J.C. SOMBRA, A. S. B. D.C. Conductivity and dielectric permittivity of collagen chitosan films. Materials Chemistry and Physics, v.99, n. 2, p , SILVA, M. L. T. Difração de raios-x aplicada na caracterização de uma amostra mineral. Dissertação (Mestrado ), Universidade Federal de Campina Grande- UFCG, PADILHA, Â. F. Materiais de Engenharia: microestrutura e propriedades. Curitiba: Hemus, PHADNIS, N.V.; CAVATUR, R. K.; SURYANARAYANAN, R. Identification of drugs in pharmaceutical dosage forms by x-ray powder diffractometry. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, v. 15, n. 7, p , ROGOVINA, L.Z. Approaches to multicomponent systems of biopolymers. Food Hydrocolloids, v.12, p , SKOOG, D. A.; HOLLER, F. J.; NIEMAN, T. A. Princípios de Análise Instrumental. 5. ed. São Paulo: Bookman, p. FÓRUM DE BIOTECNOLOGIA BIOMATERIAIS SOARES, 2005, Biomateriais. Anais. Rio de Janeiro: UFRJ. SOUZA, C.A.G; SIQUEIRA, S.M.C; AMORIM, A.F.V; MORAES, S.M; GONÇALVES, T; GOMES, R.N; CUNHA, A.P; RICARDO, N.M.P.S. Encapsulação do ácido l-ascórbico no biopolímero natural galactomanana por spray-drying: preparação, caracterização e atividade antioxidante. Química Nova, v. 38, n. 7, p. 1, VENDRUSCOLO, C. W.; FERRERO, C.; PINEDA, E. A. G.; SILVEIRA, J. L. M. FREITAS, R.; JIMÉNEZ- CASTELLANOS, A. M. R.; BRESOLIN, T. M. B. Physicochemical and mechanical characterization of galactomannan from Mimosa scabrella : Effect of drying method. Carbohydrate Polymers, v.76,n.1, p , Agradecimentos Os autores agradecem a utilização do material didático do acervo da Universidade de Fortaleza - UNIFOR, ao Laboratório de Polímeros Naturais LABPIN da Universidade Federal do Ceará - UFC pelo uso do equipamento Spray Dryer e ao Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará- UFC pelo uso do difratômetro de raios X. 6