COMPARAÇÃO ENTRE AS REAÇÔES DE PRODUÇÃO DE NANOESFERAS E NANOCÁPSULAS POLIMÉRICAS BIOCOMPATÍVEIS.

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1 COMPARAÇÃO ENTRE AS REAÇÔES DE PRODUÇÃO DE NANOESFERAS E NANOCÁPSULAS POLIMÉRICAS BIOCOMPATÍVEIS. Neusa Bernardy 1, Ana Paula Romio 1, Elenara Lemos Senna 2, Pedro H. H. Araújo 1, Claudia Sayer 1 * 1 Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos CTC Universidade Federal de Santa Catarina, Caixa Postal 476, Florianópolis/SC neusaenq@terra.com.br, a.romio@terra.com.br, pedro@enq.ufsc.br,* csayer@enq.ufsc.br 2 Departamento de Ciências Farmacêuticas CCS Universidade Federal de Santa Catarina, Caixa Postal 476, Florianópolis/SC lemos@ccs.ufsc.br Comparison between the reactions for the production of biocompatible polymeric nanospheres and nanocapsules. In this work, a comparative study of the reactions for the production of biocompatible polymeric nanocapsules and nanospheres by miniemulsion polymerization was carried out. The effect of temperature, oil phase fraction and initiator and surfactant concentrations on the kinetics of the reactions, average particle diameters and numbers was evaluated. Results showed great differences between the polymerization reactions for the production of nanospheres and nanocapsules. Additionally, the oil phase fraction and the surfactant concentration affect the average particle diameter and number in the reactions of the nanocapsules. Introdução O controle da morfologia de nanopartículas poliméricas é uma área importante da ciência e tecnologia de polímeros [1]. O termo nanopartículas é um nome comum para nanoesferas e nanocápsulas. Nanoesferas tem uma estrutura tipo matriz. Componentes ativos podem ser adsorvidos na superfície da esfera ou encapsulados dentro da partícula. As nanocápsulas, por outro lado, são sistemas vesiculares dentro dos quais os componentes ativos se encontram confinados em uma cavidade que consiste de um núcleo líquido (um óleo que possa dissolver agentes lipofílicos) e rodeado por uma parede polimérica com uma espessura da ordem de nanômetros [2, 3]. Recentemente as nanocápsulas vêm recebendo considerável atenção para a liberação controlada de drogas terapêuticas [4]. A síntese de nanocápsulas pode ser realizada via polimerização em miniemulsão usando as diferenças de tensão interfacial e do processo de separação de fases durante a polimerização para se obter a morfologia de nanocápsula [1]. Na polimerização em miniemulsão, o monômero se encontra pré-disperso em gotas de nm, por uma elevada força de cisalhamento (sistemas estator-rotor, sonificadores ou homogeinizador de alta pressão) e estabilizado pela combinação de um surfactante e de um co-estabilizador pouco solúvel em água. O co-estabilizador é usado para retardar a degradação de Ostwald (degradação difusional) e o surfactante é usado para minimizar a coalescência das gotas. Como as gotas de monômero são suficientemente pequenas e numerosas e as micelas não existem em um sistema bem preparado de

2 miniemulsão, a nucleação das gotas de monômero torna-se o mecanismo de nucleação predominante na polimerização em miniemulsão. Em um trabalho anterior do grupo [5] foi verificado que é possível obter nanocápsulas estáveis via polimerização de metacrilato de metila em miniemulsão usando co-estabilizador (Neobee M-5) e surfactante (Lecitina) biocompatíveis e biodegradáveis, visando possíveis aplicações biomédicas, sendo avaliado o efeito de diferentes concentrações de lecitina e energia de dispersão nas características morfológicas do látex final. O objetivo do presente trabalho é realizar um estudo comparativo entre as reações de polimerização de metacrilato de metila em miniemulsão para a obtenção de nanocápsulas e de nanoesferas poliméricas biocompatíveis usando Miglyol 812 como co-estabilizador e lecitina como surfactante e avaliar o efeito da fração da fase orgânica e da concentração de surfactante sobre a cinética e o diâmetro médio e número das partículas nas reações de polimerização de metacrilato de metila em miniemulsão. Experimental Materiais Nas reações de polimerização em miniemulsão foram utilizados os seguintes reagentes: monômero - metacrilato de metila (MMA) fornecido pela empresa Arions Química, surfactante - lecitina fornecida pela Alfa Aesar, co-estabilizador - Miglyol 812 fornecido pela Sasol, e iniciador - 2,2 -azo-bis-isobutironitrila (AIBN) fornecido pela Vetec Química. Procedimentos Foram realizadas reações de polimerização de metacrilato de metila em miniemulsão visando a obtenção de nanocápsulas e de nanoesferas poliméricas biocompatíveis. O procedimento foi o mesmo nos dois casos, a diferença foram as concentrações de Miglyol 812 e de monômero. Para a produção das nanocápsulas, além de atuar como co-estabilizador, o Miglyol 812 também é responsável pela formação do núcleo líquido da partícula (o MMA é solúvel no Miglyol 812, mas o PMMA não) e, portanto, substitui 50% do monômero em relação a formulação das nanoesferas (Tabela 1). Enquanto que nas nanoesferas (Tabela 2) a função exclusiva do Miglyol 812 é atuar como co-estabilizador minimizando a degradação difusional.

3 Tabela 1 Formulações usadas nas polimerizações do metacrilato de metila em miniemulsão. Nanocápsulas. Reagentes Reações (g) Exp 07 Exp 13 Exp 16 Exp17 Água 24,00 24,00 24,00 24,00 Lecitina 0,090 0,068 0,045 0,090 Miglyol 812 3,000 1,500 1,500 3,000 MMA 3,000 1,500 1,500 3,000 AIBN 0,070 0,035 0,035 0,070 Temperatura ( C) Primeiramente foi preparada a fase orgânica (MMA, Miglyol 812, lecitina e AIBN) de acordo com as formulações apresentadas nas Tabelas 1 e 2. A fase orgânica foi agitada por 10 minutos com agitador magnético, em seguida foi adicionada à fase aquosa (água) e a dispersão foi agitada por mais 5 minutos com agitador magnético. Para o preparo da miniemulsão foi utilizado um dispersor de ultrasom (Fisher Scientific, Sonic Dismembrator Model 500) por 4 minutos a 60% de amplitude. O efeito do tempo e das condições de dispersão sobre o tamanho das gotas de monômero e a cinética da reação de polimerização do metacrilato de metila em miniemulsão foi determinado em um estudo anterior [5]. Para minimizar o aumento da temperatura durante a dispersão, fato que pode resultar na decomposição do iniciador e, conseqüentemente, iniciar antecipadamente a reação de polimerização durante a dispersão, foi utilizado um banho de gelo. Tabela 2 Formulações usadas nas polimerizações do metacrilato de metila em miniemulsão. Nanoesferas. Reagentes Reações (g) Exp 09 Exp 15 Exp 18 Exp19 Água 24,00 24,00 24,00 24,00 Lecitina 0,090 0,090 0,090 0,090 Miglyol 812 0,060 0,060 0,060 0,060 MMA 6,000 6,000 6,000 6,000 AIBN 0,070 0,140 0,140 0,014 Temperatura ( C) As reações de polimerização foram realizadas em batelada em ampolas de vidro de 20 ml imersas em banho termostático a temperatura constante de 70 o C. Foram retiradas amostras de tempos em tempos (10 em 10 minutos), parando instantaneamente a reação com uma solução de hidroquinona a 1%. A conversão do metacrilato de metila foi calculada a partir de dados gravimétricos. Os diâmetros médios das partículas poliméricas (Dp) das reações em miniemulsão

4 foram medidas por espalhamento dinâmico de luz (Malvern Instruments, Zeta Sizer Nano S). Para realizar estas medidas de Dp as amostras da miniemulsão foram diluídas em água destilada saturada com metacrilato de metila. O número de partículas (Np) é calculado a partir do diâmetro médio das partículas e da conversão obtida por gravimetria. Resultados e Discussão Efeito da fração da fase orgânica e da concentração de surfactante nas reações em miniemulsão para obtenção das nanocápsulas A Figura 1 compara as evoluções da conversão, do número de partículas (Np) e do diâmetro médio das partículas (Dp) ao longo de reações em miniemulsão realizadas com diferentes frações de fase orgânica e concentrações de surfactante ( Exp 07, Exp13 e Exp 16, Tabela 1) Conversão (X) Exp 07 Exp 13 Exp Dp (nm) Exp 07 Exp 13 Exp a) b) 4, Np (g/ g de latex) , , Exp 07 Exp Exp c) Figura 1 Comparação das evoluções das propriedades durante as reações usando diferentes relações fase orgânica/fase aquosa (O/A) e relações surfactante/monômero (Lecitina/MMA). a) Conversão; b) Diâmetro médio das partículas (nm); c) Número de partículas/ g de látex. Exp 7 : O/A = 0,257 e Lecitina/MMA = 0,0150, Exp 13 : O/A = 0,129 e Lecitina/MMA = 0,0227 e Exp 16 : O/A = 0,128 e Lecitina/MMA = 0,0150.

5 Na Figura 1a pode ser observado que as variações de formulação entre os experimentos não afetaram a cinética das reações. Por outro lado, na Figura 1b podem ser observados valores de Dp muito diferentes para cada tipo de formulação. Comparando-se o Exp 16 com o Exp 07 nos quais a relação fase orgânica/ fase aquosa foi menor no Exp 16, mas a relação surfactante/monômero foi mantida igual nas duas formulações, observa-se que no Exp 16 foram formadas partículas menores. Isto se deve à maior diluição da miniemulsão monomérica do Exp 16 resultando na maior distância entre as gotas de monômero e, consequentemente, na menor freqüência de choques e coalescência entre estas. Devido à menor fração da fase orgânica foi observado um Np menor no Exp 16, como mostra a Figura 1c. Comparando os Exp 16 e Exp 13, nos quais a relação fase orgânica/fase aquosa foi mantida igual, mas a relação surfactante/monômero foi maior no Exp 13, observa-se que no Exp13 foram formadas gotículas menores e, consequentemente, Dps menores, Figura 1b, e um número de partículas (Np) maior, como mostra a Figura 1c. Isto ocorre porque uma quantidade maior de surfactante consegue estabilizar uma área superficial total maior, resultando na formação de gotas de monômero menores. Comparação entre reações para obtenção de nanocápsulas e de nanoesferas poliméricas biocompatíveis Na Figura 2, apresentada a seguir, são mostradas as evoluções da conversão, do diâmetro médio e do número de partículas poliméricas ao longo de quatro reações em miniemulsão, duas para obtenção de nanocápsulas (Exp 7 e Exp 17) e duas para produção de: nanoesferas (Exp 15 e Exp 18) realizadas a duas temperaturas diferentes (60 e 70 o C), conforme apresentado nas Tabelas 1 e 2. Nestas quatro reações foi usada a mesma relação iniciador/monômero. De acordo com os resultados apresentados nas Figuras 2a, no começo das reações as velocidades das reações para produção de nanocápsulas e de nanoesferas realizadas na mesma temperatura não apresentam diferenças acentuadas. Entretanto, observa-se que nos experimentos das nanoesferas, tanto nos experimentos a 70 C quanto nos experimentos a 60 C são alcançadas conversões mais baixas. Isso se deve a coagulação interfacial observada nestas reações (Exp 15 e Exp18). Por outro lado, nas reações para obtenção das nanocápsulas não foi observada a coagulação interfacial, provavelmente, devido ao efeito da concentração muito mais elevada de Miglyol 812 nestas reações (Exp 7 e Exp17). Na Figura 2a também se observa que a diminuição da temperatura resultou no deslocamento da curva de conversão devido à cinética da reação mais lenta, isso foi observado tanto para as nanocápsulas quanto para as nanoesferas. Entretanto, a diferença de

6 temperatura não afetou o diâmetro médio (Dp) das partículas nestes experimentos, conforme mostra a Figura 2b e o número de partículas, Figura 2c. Por outro lado, na Figura 2b, fica evidente a grande diferença entre os diâmetros médios das nanoesferas e das nanocápsulas. Este efeito pode ser explicado pela relação Miglyol 812/ MMA que é muito maior nas nanocápsulas. Como a viscosidade do Miglyol 812 (27 a 30 cp a 20 o C) [6] é maior do que a viscosidade do MMA (0,53 cp a 20 o C)[7] durante o preparo da miniemulsão a viscosidade das gotas que irão formar as nanocápsulas é maior do que a das gotas que irão formar as nanoesferas, nas quais o Miglyol 812 é usado em pequena quantidade somente como co-estabilizador, consequentemente, a taxa de fissão das gotas é maior nas reações para obtenção das nanoesferas do que nas reações para obtenção das nanocápsulas, explicando o maior tamanho destas últimas (Figura 2b) Conversão (X) Exp 07 (70 ) 0.2 Exp 15 (70 ) Exp 17 (60 ) Exp 18 (60 ) 0 Dp (nm) Exp 07 (70 ) Exp 15 (70 ) Exp 17 (60 ) Exp 18 (60 ) 140 a) b) Np / g de latex Exp 07 (70 ) Exp 15 (70 ) Exp 17(60 ) Exp 18 (60 ) c) Figura 2 Comparação das evoluções das propriedades durante as reações em miniemulsão para obtenção de nanocápsulas e de nanoesferas poliméricas. a) Conversão; b) Diâmetro médio das partículas (nm); c) número de partículas / g de látex. Exp 7 e Exp 17 : nanocápsulas e Exp 15 e 18 : nanoesferas. Na Figura 2b também pode ser observado que o diâmetro inicial das gotas nos Exp 15 e Exp 18, reações para obtenção de nanoesferas, são relativamente grandes e depois sofrem uma forte

7 diminuição. Esse comportamento gera a dúvida se nas reações para obtenção das nanoesferas, ao contrário do que ocorre no caso das nanocápsulas, ocorre algum outro tipo de nucleação além da nucleação das gotas. Para esclarecer este ponto foram realizados experimentos, apresentados a seguir, com diferentes concentrações de iniciador. Efeito da concentração de iniciador nas reações em miniemulsão para obtenção das nanoesferas Na Figura 3, a seguir, são apresentadas as evoluções da conversão, do diâmetro médio e do número de partículas poliméricas ao longo das reações com diferentes quantidades de iniciador (Exp 09, Exp 15 e Exp 19), como mostrado na Tabela Exp 09 Exp 15 Exp 19 Conversão (X) Dp (nm) Exp 09 Exp 15 Exp a) b) Figura 3 Comparação das evoluções das propriedades durante as reações de nanoesferas usando diferentes quantidades de iniciador. a) Conversão; b) Diâmetro médio das partículas (nm). Exp 09 : AIBN = 0,070 g, Exp 15: AIBN = 0,140 g e Exp 19 : AIBN = 0,014 g,. Os resultados apresentados nas Figuras 3a e 3b, mostram que, a concentração de iniciador afeta a velocidade de reação, já que esta é diretamente proporcional a concentração de radicais e, consequentemente, de iniciador. Entretanto, os diâmetros médios das partículas são muito parecidos, e, portanto, não são afetados pela concentração do iniciador, como mostra a Figura 3b. Isto é um indicativo de que os mecanismos de nucleação na fase aquosa (micelar ou homogênea) não são muito acentuados nestas reações, caso contrário concentrações mais baixas de iniciador (Exp 19) deveriam resultar em partículas maiores com valores de Dp final próximos aos das gotas iniciais e aos das nanocápsulas. Por outro lado, a grande diferença entre o tamanho inicial das gotas de monômero destas reações apresentadas na Figura 3b mostra claramente a dificuldade da medida do diâmetro inicial das gotas de monômero nas reações para obtenção das nanopartículas, fato também observado em trabalhos da literatura [8,9]. Nas reações para obtenção das nanocápsulas as gotas apresentam maior viscosidade devido a concentração mais elevada do Miglyol 812 e,

8 consequentemente, o erro da medida do tamanho inicial das gotas nestas reações é menor. A Tabela 3 apresenta os valores dos diâmetros iniciais das gotas de monômero (Dg) e finais das partículas de polímero (Dp) de oito reações em miniemulsão para obtenção de nanocápsulas e de oito reações em miniemulsão para obtenção de nanoesferas. Todos os ensaios apresentados na Tabela 3 foram realizados com as mesmas condições de preparação das miniemulsões e com as mesmas quantidades de surfactante, co-estabilizador e fração de fase orgânica. De acordo com os resultados apresentados na Tabela 3 os valores do desvio padrão das medidas dos tamanhos das gotas de monômero e das partículas de polímero nas reações para obtenção das nanocápsulas são, respectivamente, 8 e 11 nm, comprovando a confiabilidade destas medidas. Já nas reações para obtenção das nanoesferas, o desvio padrão do tamanho inicial das gotas de monômero foi igual a 30nm, mostrando a dificuldade desta medida inicial no caso das nanoesferas. Na Tabela 3 também são mostrados os valores da razão Dg/Dp destas reações. Na condição ideal de cópia 1 para 1 das gotas de monômero para as partículas de polímero (ausência de coalescência e degradação difusional e nucleação das partículas exclusivamente por nucleação das gotas de monômero) os valores desta razão deveriam ser 0,97 e 0,93, respectivamente, para as nanocápsulas e para as nanoesferas devido a contração volumétrica durante as reações. Tabela 3 Comparação entre os diâmetros iniciais das gotas de monômero (Dg) e finais das partículas de polímero (Dp) de reações em miniemulsão para obtenção de nanocápsulas e de nanoesferas poliméricas. Nanocápsulas Nanoesferas Reações Dg (nm) Dp (nm) Dg / Dp Reações Dg (nm) Dp (nm) Dg / Dp Exp ,957 Exp ,697 Exp ,03 Exp ,777 Exp ,974 Exp ,824 Exp ,10 Exp ,04 Exp ,01 Exp ,01 Exp ,06 Exp ,705 Exp ,983 Exp ,821 Exp ,958 Exp ,10 Média ,01 Média ,872 Desvio padrão 8 11 Desvio padrão 30 5

9 Conclusões Os resultados obtidos nesse neste trabalho mostram que para as nanocápsulas, tanto a relação fase aquosa/ fase orgânica quanto a relação surfactante/monômero interferem no diâmetro médio das partículas e no número de partículas (Np). Na comparação entre as reações para obtenção das nanocápsulas e das nanoesferas foram observadas velocidades de reação parecidas, entretanto, existe uma diferença entre o diâmetro médio e número das nanocápsulas e das nanoesferas, devido ao efeito do Miglyol 812 na viscosidade das gotas nanométricas e na estabilidade das miniemulsões. Agradecimentos Ao CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico pelo apoio financeiro. Referências Bibliográficas 1. F. Tiarks, K. Landfester, M. Antonietti, Langmuir, 2001, 17, P. Couvreur, C. Dubernet, F. Puisieux, Eur. J. Pharm. Biopharm., 1995, 41, E. Allémann, R. Gurny, E. Doekler, Eur. J. Pharm. Biopharm., 1993,39, C. P. Reis, R. J. Neufeld, A. J. Ribeiro, F. Veiga, Nanotechnology, Biology, and Medicine 2006, 2, A. P. Romio, C. Sayer, S. R. P. Rocha, P. H.H. Araújo in anais do 9º Congresso Brasileiro de Polímeros, Campina Grande, Ficha técnica Miglyol N, Sasol Germany GmbH, J.Brandrup, E. H. Immergut, E. A. Grulke. Polymer Handbook, Ed.; Wiley-Interscience, New York, 1999;Vol.1, III J. M. Asua, Prog. Polym. Sci, 2002, 27, M. do Amaral, A. Bogner, C., Gauthier, G., Thollet, P.-H. Jouneau, J.-Y. Cavaillé, J. M. Asua, Macromol. Rapid. Commun., 2006, 26,