ESTUDO DOS EFEITOS DOS PARÂMETROS DA NANOPRECIPITAÇÃO SOBRE O DIÂMETRO DE PARTÍCULA DE POLICAPROLACTONA (PCL) USANDO O PLANEJAMENTO PLACKETT-BURMAN

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1 ESTUDO DOS EFEITOS DOS PARÂMETROS DA NANOPRECIPITAÇÃO SOBRE O DIÂMETRO DE PARTÍCULA DE POLICAPROLACTONA (PCL) USANDO O PLANEJAMENTO PLACKETT-BURMAN A. A. C. Pereira 1,, E. M. B. D. de Sousa 1, I. S. Passos 1, E. R. M. Santos 1, A. A. Jesus 1, J. A. de Oliveira 1 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Departamento de Engenharia Química. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Avenida Senador Salgado Filho S/N; Bairro Lagoa Nova; Natal/RN; CEP: (andre_antsu@yahoo.com.br) RESUMO Este trabalho tem como objetivo avaliar os efeitos dos parâmetros da nanoprecipitação (deslocamento de solvente) sobre o diâmetro médio das partículas de policaprolactona (PCL) formadas. Para tal estudo, foi utilizado o planejamento experimental de dois níveis Plackett-Burman (PB) visando a avaliação dos seguintes parâmetros: concentração de PCL, concentração do estabilizante poli(vinilalcool) (PVA), vazão da solução orgânica, temperatura do meio circulante, tempo de experimento, pressão e diâmetro do bico aspersor. O diâmetro médio foi estimado a partir da análise de Espalhamento de Luz Dinâmico (ELD) das soluções geradas. As superfícies de resposta e o gráfico Pareto gerados pelo planejamento PB constataram que as variáveis: concentração de estabilizante, temperatura e diâmetro de bico exerceram significativa influência sobre o diâmetro médio das partículas. Palavras-chave: Nanoprecipitação, Policaprolactona (PCL), Plackett-Burman (PB), Gráfico de Pareto. 7981

2 INTRODUÇÃO Nanopartículas poliméricas são materiais de grande importância na indústria química e também na farmacêutica, sendo bastante utilizadas no preparo de medicamentos devido a boa liberação de drogas quando impregnadas ou encapsuladas com estas (1). Desta forma, o estudo e entendimento dos processos de formação destas partículas são de extrema importância. Conhecer os parâmetros que afetam as propriedades físico-químicas das partículas é essencial para a otimização destes processos, podendo assim gerar nanopartículas com propriedades específicas para uma determinada atividade. O processo de nanoprecipitação descrito primeiramente por Fessi et all. é um método bastante utilizado na produção de nanopartículas poliméricas por ser simples e de fácil reprodução (1,2). Vários estudos são realizados a partir deste método para a formação de nanopartículas de diversos polímeros (3,4), a Policaprolactona (PCL) é um dos que se destacam devido a sua importância na indústria farmacêutica. Por ser um polímero biocompatível, vem sendo bastante utilizando, principalmente, como veículo para fármacos, pois proporciona uma liberação controlada destes. Este trabalho teve como objetivo estudar os efeito das variáveis do processo de nanoprecipitação de Policaprolactona (PCL) utilizando um planejamento Plackett- Burman para análise estatística do grau de influência das variáveis concentração de PCL, concentração do estabilizante poli(vinilalcool) (PVA), vazão da solução orgânica, temperatura do meio circulante, tempo de experimento, pressão e diâmetro do bico aspersor no tamanho médio das partículas formadas. MATERIAIS E MÉTODOS Policaprolactona (PCL) com massa molar de 10 kda, acetona e álcool polivinílico (PVA), com pureza mínima de 99% foram fornecidos pela Sigma Aldrich. Para aspersão da solução polimérica foi utilizado o gás nitrogênio (N2) (fornecido pela White-Martins/Brasil), bem como, um atomizador do tipo duplo fluído com câmara de mistura, construído em aço inoxidável com partes internas em Teflon (5). 7982

3 A câmara de precipitação é constituída de borosilicato e possui camisa para troca térmica. Água destilada foi utilizada como líquido anti-solvente em todos os experimentos. Formação das Nanopartículas Os experimentos foram realizados com base no Planejamento PB (7/8) da Tabela 2. Desta forma, conforme a Tabela 1, 7 variáveis independentes foram avaliadas em dois níveis definidos. Tabela 1 - Níveis das variáveis independentes dos experimentos NÍVEIS VARIÁVEIS INDEPENDENTES -1 1 (X1) PCL (%) 0,5 1,5 (X2) Temperatura ( C) (X3) Bico (mm) 0,8 1,5 (X4) Pressão (kpa) (X5) Tempo (min) (X6) Vazão (ml/min) 2 4 (X7) PVA (%) 0,1 0,3 Tabela 2 - Planejamento experimental Plackett-Burman (7/8) EXP X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 1-1,0-1,0-1,0 1,0 1,0 1,0-1,0 2 1,0-1,0-1,0-1,0-1,0 1,0 1,0 3-1,0 1,0-1,0-1,0 1,0-1,0 1,0 4 1,0 1,0-1,0 1,0-1,0-1,0-1,0 5-1,0-1,0 1,0 1,0-1,0-1,0 1,0 6 1,0-1,0 1,0-1,0 1,0-1,0-1,0 7-1,0 1,0 1,0-1,0-1,0 1,0-1,0 8 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 7983

4 O processo de formação de nanopartículas foi realizado na unidade ilustrada na Figura 1. Conforme esta Figura, a solução polimérica (1) é bombeada com vazão constante por uma bomba isocrática de fluxo positivo (2) para o atomizador (3) localizado na parte superior da câmara de precipitação (4). Foi feita a aspersão da solução polimérica em água destilada com o uso de N2 pressurizado (5). Esta aspersão foi realizada em pulsos regulares de 1,33 e 0,67Hz proporcionalmente a vazão da solução polimérica utilizada. De modo a promover um maior contato entre as fases, a suspensão foi recirculada na câmara de precipitação, passando por um prato perfurado (6). A temperatura da fase aquosa foi mantida constante por um banho termostatizado (7). E para evitar o arraste de partículas para fora do sistema, foi utilizado um condensador de vidro (8). Ao final de cada experimento, foi realizada a coleta e armazenagem das suspensões para análise posterior. Amostras das suspensões de nanopartículas foram coletadas para determinação dos diâmetros médios de partícula. Esta foi feita em duplicatas pelo método de Espalhamento de Luz Dinâmica (ELD) utilizando um Zetasizer Nano ZS. Figura 1 Representação do aparato experimental 7984

5 RESULTADO E DISCUSSÃO Nesta seção serão apresentados os resultados obtidos nos experimentos utilizando a técnica de nanoprecipitação ou deslocamento de solvente. Os diâmetros médios (Dm) foram obtidos por Espalhamento de Luz Dinâmica (ELD) e as superfícies de resposta, bem como os gráficos de Pareto foram obtidos utilizando o software Statistica 8.0. Tamanho de partículas Obtidas e Gráfico Pareto De acordo com a Tabela 3 foram obtidas partículas de PCL de tamanho médio (Dm) na faixa de 360 a 560 nm. Tabela 3 Variáveis independentes com respectivas condições experimentais EXP PCL (%m/m) TEMPERATURA ( C) BICO (mm) PRESSÃO (bar) TEMPO (min) VAZÃO (ml/min) PVA (%m/m) Dm (nm) 1 0,5 10 0,8 1, ,1 403,05 2 1,5 10 0,8 0, ,3 481,10 3 0,5 30 0,8 0, ,3 433,20 4 1,5 30 0,8 1, ,1 360,25 5 0,5 10 1,5 1, ,3 560,20 6 1,5 10 1,5 0, ,1 454,95 7 0,5 30 1,5 0, ,1 401,20 8 1,5 30 1,5 1, ,3 516,30 Com base nestes valores de Dm foi obtido o gráfico Pareto (Figura 2), na qual pode-se observar o efeito das variáveis independentes na variável resposta, diâmetro médio de partícula. Neste gráfico as variáveis estudadas são dispostas de acordo com o seu grau de influência sobre a variável resposta. Os sinais dos efeitos indicam influências diretamente e inversamente proporcionais. Desta forma, segundo o gráfico Pareto da Figura 3, nota-se que a concentração de PVA, o diâmetro do bico aspersor, a temperatura da câmara de 7985

6 precipitação e pressão de aspersão foram os fatores que mais influenciaram no diâmetro das partículas. Figura 2 - Gráfico Pareto dos efeitos estimados das variáveis no diâmetro final de partícula. Como mostrado no gráfico acima, a concentração do estabilizante PVA (X7) foi o parâmetro que mais influenciou no diâmetro médio de partícula. Porém, essa influência foi positiva. Esperava-se que o aumento da concentração de PVA proporcionasse uma diminuição destes diâmetros (6,7). Uma vez que o estabilizante envolve as partículas promovendo a não coalescência durante sua formação (4). Logo, este resultado pode ser explicado pela possibilidade de haver resíduos de PVA não solubilizados na suspensão, o que acarretaria em desvio na leitura do ELD. Vale ressaltar que as emulsões obtidas pela presença de estabilizantes nas suspensões seguem a Concentração Micelar Critica (CMC), a qual existe uma quantidade crítica de estabilizante que o aumento deste não acarretaria mudança significativa no tamanho da partícula formada (6). 7986

7 Quanto ao diâmetro do bico aspersor, este se mostrou o segundo fator mais influente. Esse efeito é responsável por controlar o tamanho das gotículas de solução orgânica lançadas na fase aquosa. Desta forma, quanto menor o diâmetro do bico aspersor, menor será a gotícula formada, e, consequentemente, menor será a partícula (7). No que diz respeito ao efeito da temperatura, este se mostrou o terceiro efeito mais influente. Este efeito é responsável pela redução da tensão interfacial do meio aquoso, que facilita a difusão entre as fases e, desta forma, corrobora na formação de partículas menores (7). Esta afirmação também pode ser verificada no gráfico Pareto. Por fim, a influência da pressão (X4) mostrou-se diretamente proporcional ao Dm. Este fenômeno pode ser interpretado como resultado da presença, no aparato experimental, de uma distância entre o bico aspersor e a superfície da fase externa. Desta forma, uma pressão de aspersão mais elevada levaria à evaporação do solvente orgânico antes que este entrasse em contato com a fase aquosa. Não havendo a difusão de solvente descrita em (4) e as partículas se depositariam na superfície da fase externa causando a aglomeração. Vale destacar também que o planejamento PB apresenta limitações quanto a combinação de dois ou mais parâmetros em estudo (8). Ou seja, se um parâmetro influenciar significativamente em outro, esta contribuição não será constatada na variável resposta (DM). Análise das Superfícies de resposta Uma forma alternativa de avaliar os resultados obtidos na ELD é através das superfícies de resposta representadas pelas Figuras 3 e 4. Nestas superfícies, a relação dos níveis dos parâmetros e a variável resposta (tamanho de partícula) estão representados por meio de um plano inclinado com graduações especificas. A Figura 3 mostra a relação entre os parâmetros: tamanho de bico e Temperatura sobre diâmetro de partícula. De acordo com esta superfície, o eixo denominado Tamanho de bico apresenta uma maior influência na variável resposta quando comparado com o eixo da temperatura. É possível constar também a proporcionalidade da contribuição destas variáveis independentes com a relação à 7987

8 variável resposta. Desta forma, o tamanho de bico apresenta uma relação diretamente proporcional e a temperatura inversamente proporcional em relação com o diâmetro de partícula. Figura 3 Superfície de resposta mostrando a variação do tamanho de partícula (nm) com variações na temperatura e diâmetro de bico. Na superfície de resposta mostrada na Figura 4, nota-se que a escala de cores se encontra perpendicular ao eixo Concentração de PCL, indicando uma contribuição quase insignificante deste parâmetro para com a variável resposta para esta faixa estuda. Este resultado pôde ser evidenciado pelo Pareto (Figura 2). 7988

9 Figura 4- Superfície de resposta mostrando a variação do tamanho de partícula (nm) com variações na temperatura e concentração de PCL. CONCLUSÃO Podemos concluir com neste trabalho que, para as condições utilizadas, a concentração de PVA, o diâmetro do bico aspersor, a temperatura da fase externa e a pressão de aspersão foram as variáveis mais influentes no processo, sendo estas, então, as mais relevantes para sua otimização. Quanto ao comportamento inesperado de determinadas variáveis pode-se concluir que além das limitações do sistema de nanoprecipitação apresentado, o planejamento experimental não contribui na avaliação dos efeitos combinados entre dois ou mais parâmetros na variável resposta. Porém, o mesmo planejamento pode ser considerado como uma boa ferramenta de análise prévia para aparatos experimentais com diversos parâmetros em questão. REFERÊNCIAS 1.LASSALLE, V.; FERREIRA, M. L. PLA nano- and microparticles for drug delivery: An overview of the methods of preparation. Macromolecular Bioscience, v. 7, n. 6, p ,

10 2.FESSI, H.; PUISIEUX, F.; DEVISSAGUET, J. P.; AMMOURY, N.; BENITA, S. Nanocapsule formation by interfacial polymer deposition following solvent displacement. International Journal of Pharmaceutics, v. 55, n. 1, p. 1 4, MARTINS, D.; FRUNGILLO, L.; ANAZZETTI, M. C.; MELO, P. S.; DURÁN, N. Antitumoral activity of L-ascorbic acid-poly- D,L-(lactide-co-glycolide) nanoparticles containing violacein. International journal of nanomedicine, v. 5, p , Disponível em: < articlerender.fcgi?artid=pmc >.. 4.MORA-HUERTAS, C. E.; FESSI, H.; ELAISSARI, A. Influence of process and formulation parameters on the formation of submicron particles by solvent displacement and emulsification-diffusion methods: Critical comparison. Advances in Colloid and Interface Science, v. 163, n. 2, p , Elsevier B.V. Disponível em: < 5.FERNANDES, L. S. L.; CELLET, T. S. P.; SOUZA, E. M. B. D.; et al. Development of a system by atomization for the formation of polymeric particles in micro and submicro scales. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 451, n. 1, p. 1 6, Elsevier B.V. Disponível em: < 6.GIANNAVOLA, C.; BUCOLO, C.; MALTESE, A.; PAOLINO, D.; AL, E. Influence of Preparation Conditions on the Catalytic Performance. Pharmaceutical Research, v. 20, n. 4, p. 584, Disponível em: <httpp//dx.doi.org/ /ap >.. 7.SOUTO, E. B.; SEVERINO, P.; SANTANA, M. H. A. Preparação de nanopartículas poliméricas a partir de polímeros pré-formados: parte II. Polímeros, v. 22, n. 1, p , BRIEFS, A M. C. T. Experimental design and opti No entanto, o planejamento PB apresentou limitações quanto a estimativa de efeitos combinados entre as varíaveis estudadas.misation (4): Plackett Burman designs. Analytical Methods, v. 5, p , Disponível em: < 7990

11 STUDY OF NANOPRECIPITATION PARAMETERS ON POLYCAPROLACTONE (PCL) PARTICLES DIAMETER USING PLACKETT-BURMAN EXPERIMENTAL DESIGN ABSTRACT This study aims to assess the effects of nanoprecipitation parameters (solvent displacement) of the average particle diameter of polycaprolactone (PCL) formed. For this study, we used the experimental design two Plackett-Burman levels (CP) to the evaluation of the following parameters: concentration of PCL, concentration of poly stabilizer (vinyl alcohol) (PVA), flow of the organic solution, the circulating medium temperature, time experiment, pressure and diameter of the spray nozzle. The mean diameter was estimated from the Dynamic Light Scattering analysis (ELD) of the generated solutions. The response surface and Pareto chart generated by the planning PB found that the variables stabilizer concentration, temperature and nozzle diameters exerted a significant influence on the average particle diameter. Keywords: Nanoprecipitation, Polycaprolactone (PCL), Plackett-Burman (PB), Pareto Chart. 7991