undergo surface erosion or bulk erosion

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1 Why degradable polymers undergo surface erosion or bulk erosion Ana Carapeto, Ângela Chan, Tânia Vaz Biomateriais II MEBM 5ºAno 1ºSemestre Instituto Superior Técnico Outubro 2008 Objectivo Desenvolver uma base de entendimento acerca da erosão de PLA (ácido poli láctico) e PLGA (ácido poliláctico glicólico), que servem de modelo para os polímerosem geral. Depois de esclarecidos estes mecanismos, os polímeros poderão serusados com mais eficiência iê i nas aplicações médicas futuras.

2 Introdução 1ºs poli ésteres sintéticos biodegradáveis aplicados à medicina ácido glicólico. Polímeros: o poli anidridos; o poli hidroxiésteres (α,β); o poli ortoésteres. Aplicações médicas e farmacêuticas: o sistemas de libertação controlada de fármacos; o materiais de suporte usados em engenharia de tecidos; o parafusos em cirurgias ortopédicas; o outros. Introdução Mecanismos de erosão dos polímeros: o erosão superficial o erosão em massa Ilustração esquemática das alterações da matriz polimérica durante a erosão superficial e erosão em massa.

3 Introdução Erosão superficial: o Velocidade de erosão constante durante todo o processo e a penetração no interior do material é fraca. Erosão em massa: o Velocidade de erosão não é constante, existe penetração no interior do material e a degradação produz se em todo o volume, simultaneamente. o e.g. ácido poli láctico (PLA) e ácido poli láctico glicólico (PLGA). Introdução Processo de degradação: o Processo irreversível de alteração da estrutura do material perda de propriedades físico químicas (massa molar, composição química, micro estrutura, resistência mecânica); perda de integridade (fragmentação). Parâmetros que afectam a velocidade de degradação: o Composição dos copolímeros; o Autocatálise devido ao meio envolvente em ph ácido (produtos de degradação) dentro da matriz; o Presença de catalizadores, aditivos ou plastificantes; o Outros.

4 Introdução Ainda não é possível prever como o processo de erosão é alterado quando a taxa de degradação varia... Desenvolvimento de um modelo teoricamente simples que permitisse predizer se uma matriz polimérica sofre erosão superficial ou em massa. Estudos de erosão para investigar experimentalmente o impacto das condições de degradação nos mecanismos de erosão. Introdução Polímeros modelo: PLA e PLGA (biocompatibilidade e vasta bibliografia) Estudos de erosão: o Matrizes 12,5 mm de diâmetro e 1,4 mm de altura. o Alteração sistemática do ph do meio de erosão variar a taxa de degradação dos poli(α hidroxiésteres). Monitorização da degradação e erosão: o Perda de massa; o Inchamento do polímero; o Alterações no peso molecular e morfologia do polímero; o Comparação do resultado da erosão sob catálise com aquele obtido a ph=7,4.

5 Materiais PLGA com pesos moleculares de: 8,000 (PLA25GA508h), 14,000 (PLA25GA5014), 47,000 (PLA25GA5047h). PLA com pesos moleculares de: 2000 (PLA502), 11,000 (PLA5011h), 17,000 (PLA5017). Simbologia: o acrónimos razões molares das unidades do ácido láctico (D a L ) e ácido glicólico; o pesos moleculares; o estado do terminal COOH (com h sem terminações; sem o h com terminações de ácido láctico etil éster). Métodos 1. Produção de matrizes de polímeros 2. Erosão de matrizes de polímeros 3. Determinação do peso molecular mediante cromatografia por permeação em gel (GPC gel permeation chromatography) 4 Microscopia electrónica devarrimento (SEM scanning electron 4. Microscopia electrónica de varrimento (SEM scanning electron microscopy)

6 Resultados O modelo dl de erosão deve permitir: f í f Prever o facto de um polímero sofrer erosão em massa ou de superfície

7 Erosão em massa: Se a difusãodaáguano polímero for mais rápida do que a degradação das ligações gç do polímero. Erosão superficial: Se a degradação das ligações do polímero for mais rápida do que a difusão da água. Os processos de degradação são só na matriz superficial. Estratégia: Encontrar uma forma de medir a velocidade dos processos de: Difusão da água na matriz do polímero Degradação das ligações dos polímeros

8 Difusão da água Onde: <x> distânciamédia percorrida pelaágua D eff coeficiente de difusão efectiva da água no interior do polímero Velocidade de degradação: Onde: λ constante que se relaciona com as diferenças de reactividade dos grupos funcionais dos polímeros média do peso molecular l N número de monómeros por cadeia número de Avogadro ρ densidade do polímero

9 Número de erosão λ>>1: reacção entre a água e o polímero mais rápida do que a difusão da água => erosão de superfície. λ<<1: difusão da água mais rápida do que o processo de erosão => erosão em massa. λ=1:o mecanismo de erosão não é previsível. Dependência do número de erosão Dependência do número de erosão em função da difusão da água no interior do polímero das dimensões da matriz polimérica e da reactividadedasligaçõesdas dos polímeros.

10 Dimensão crítica (L crítico) Determina se substituindo L por <x> na equação do número de erosãoe assumindo ε=1. Dimensão para para a qual um polímero habitualmente erodido em superfície passa a ser erodido em massa e vive versa. Característica individual de um polímero. Desenvolvimento do modelo: Objectivo: Provar que todos os polímeros se podem degradar de ambasasformas. as Usam se 2 parâmetros para mudar o mecanismo de erosão: o Quociente λ/d eff o Dimensão L da matriz O mais fácil é aumentar λ por catálise.

11 Degradação e erosão a ph o PLA 50 11h PLA PL 25 GA 50 8h PL 25 GA PL 25 GA 50 47h Após um período sem erosão, as matrizes Comportamento semelhante começam a erodir num instante de tempo para as diferentes matrizes Composição do definido Copolímero Peso molecular Instante de tempo a que Grupos a terminais No geral, polímeros PLGA sofrem erosão erosão se inicia é mais depressa que polímeros PLA ligeiramente diferente Processos identificados que alteram o perfil geral da erosão Autocatálise Absorção de água pelos polímeros Crescente quantidade de grupos terminais de ácido carboxílico são criados devido à degradação do polímero o PLA 50 11h PLA PL 25 GA 50 8h PL 25 GA PL 25 GA 50 47h Fenómeno de Percolação Após um nível crítico de degradação ser alcançado, os polímeros formam uma rede de poros que permite a libertação de monómeros e oligómeros

12 Degradação e erosão a ph 2 o PLA 50 11h PLA PLA 50 2 PL 25 GA 50 8h PL 25 GA PL 25 GA 50 47h Atraso no início da erosão permanece Erosão não foi acelerada A degradação a ph neutro já comportou catálise ácida sob o impacto de autocatálise Degradação e erosão a ph 2 o PLA 50 11h PLA PLA 50 2 PL 25 GA 50 8h PL 25 GA PL 25 GA 50 47h Peso molhado máximo das matrizes coincide com o início da erosão, momento em que a matriz contêm a quantidade máxima de produtos de degradação Polímero de erosão em massa são completamente invadidos por água antes do começo da erosão

13 Degradação e erosão a ph>13 PL PL 25 GA PL 25 GA 50 47h Perda de massa sem qualquer atraso logo no início da experiência de erosão Polímeros demonstram perfis de erosão lineares: típico de polímeros de erosão superficial Erosão completa após algumas horas Degradação e erosão a ph>13 H13 Temponecessárioparaperdade 50% de massa numa erosão a ph 2 (barras brancas) e ph>13 (barras pretas) Grande diferença na duração da erosão O efeito da copolimerização pode explicar porque a redução é maior para os dois polímeros PLGA comparativamente com o PLA

14 Degradação e erosão a ph>13 PL PL 25 GA PL 25 GA 50 47h Matrizes não adquirem significativas quantidades de água As pequenas diferenças entre o peso molhado e seco podem ser devidas à água que aderiu ou foi adsorvida à superfície Catálise ácida/básica: alterações no mecanismo de erosão Erosão de PLA e PLGA a Autocatálise é um factor importante ph2 não alterou os perfis para a erosão destes polímeros de erosão obtidos durante a erosão a ph 7,4 A ph>13, houve uma grande alteração na cinética de erosão Perfis deerosãoerosão linearesanálogosanálogos aos de erosão superficial: o mecanismo de erosão alterou se

15 Conclusão Polímeros degradáveis podem sofrer erosão superficial ou em massa dependendo das condições de erosão e da geometria. Abaixo de um L critico ii, a matriz polimérica sofre sempre erosão em massa e acima do L critico a erosão é superficial. Apesar da identificação destes parâmetros, os modelos podem ser melhorados considerando o inchamento polimérico e o impacto do peso molecular, entre outros.