POLIMERIZAÇÃO DE ACETATO DE VINILA EM MINIEMULSÃO. SÍNTESE DE NANOCÁPSULAS

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1 POLIMERIZAÇÃO DE ACETATO DE VINILA EM MINIEMULSÃO. SÍNTESE DE NANOCÁPSULAS Fernanda R. Steinmacher 1, Josias B. Moretto 1, Pedro H. H. Araujo 1, Claudia Sayer 2 * 1 Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC, EQA - Florianópolis SC 2* Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC, EQA - Florianópolis SC (csayer@enq.ufsc.br) Polimerizações de acetato de vinila foram realizadas via miniemulsão para síntese de nanopartículas que atendem os requisitos de encapsulação de fármacos hidrofóbicos. As reações foram conduzidas a 70 C com Miglyol 812 como hidrófobo, lecitina e Tween 80 foram aplicados como surfatantes e, AIBN ou KPS como iniciadores. A influência do componente hidrofóbico sobre a cinética de reação e diâmetro de partícula foi analisada. A estabilidade do sistema foi verificada com os diferentes surfatantes. A caracterização do látex foi realizada com medidas de espalhamento de luz dinâmico, a conversão foi obtida por gravimetria e microscopias de varredura de emissão de campo (MEV-FEG) foram realizadas. A partir dos resultados, pode-se obter nanocápsulas de poli(acetato de vinila) não iônicas encapsulando um agente hidrofóbico. Palavras-chave: acetato de vinila, miniemulsão, nanopartículas, encapsulação Polymerizations of Vinyl Acetate by Miniemulsion. Synthesis of Nanocapsules Polymerizations of vinyl acetate were carried out by miniemulsion for the synthesis of nanoparticles that are suitable for the encapsulation of hydrophobic drugs. The reactions were conducted at 70 C using Miglyol 812 as hydrophobe, lecithin and Tween 80 were applied as surfactants and, AIBN or KPS as initiator. The influence of this hydrophobic compound on kinetics and particle size was analyzed. The stability of the system was verified with different surfactants. The characterization of these latexes was carried out using light scattering measurements, conversion was determined gravimetrically and field emission gun images (FEG-SEM) were obtained. Results show that it is possible to get nonionic poly(vinyl acetate) nanoparticles encapsulating a hydrophobe. Keywords: vinyl acetate, miniemulsion, nanoparticles, encapsulation Introdução Recentemente, a nanotecnologia vem sendo amplamente visada devido à importância de suas aplicações. Consequentemente, numerosos processos para obtenção de produtos nanométricos foram desenvolvidos e, nanopartículas vem se tornando de grande importância para as indústrias farmacêuticas, engenharia mecânica e catálise. O termo nanopartícula envolve tanto nanocápsulas (estrutura núcleo-casca), como nanoesferas (matrizes poliméricas), as quais se diferem entre si segundo composição e organização estrutural (1). Devido à morfologia diferenciada das nanocápsulas, estas são aplicadas em diversas áreas, como por exemplo, sistemas de liberação controlada de fármacos em sítios específicos, os quais permitem a otimização da atividade terapêutica do fármaco. Esta tem sido uma área de intensa pesquisa na última década, onde estudos mostram que nanopartículas poliméricas podem ser utilizadas como carreadores de fármacos.

2 O processo de polimerização via miniemulsão vem se destacando por apresentar maior versatilidade na polimerização núcleo-casca, realizando o encapsulação de agentes hidrofóbicos, por exemplo. Além de apresentar a possibilidade de se obter o produto final em uma única etapa de reação, o que aumenta a diversidade de sua aplicação em diversas áreas. Miniemulsões são classicamente definidas como dispersões aquosas de gotículas de óleo relativamente estáveis, dentro de uma faixa de tamanho de nm, preparadas por um sistema contendo óleo, água, emulsificante e co-estabilizador (2). Onde a perda de estabilidade do sistema por degradação por difusão e coalescência é suprimida pelo co-estabilizador e pelo emulsificante, respectivamente. Segundo Rajot et al. (3), a polimerização em miniemulsão de acetato de vinila possibilita a obtenção de nanocápsulas envolvendo drogas hidrofóbicas. Contudo, o desafio está em adequar as formulações clássicas de preparação das miniemulsões para atender os requisitos quando aplicadas na biomedicina. De acordo com Aizpurua et al. (4), tradicionalmente são utilizados álcool cetílico e hexadecano como co-estabilizadores. Porém, a utilização do hexadecano na produção de nanopartículas restringe as suas aplicações. Adicionalmente, o iniciador também deve ser escolhido de forma a se obter nanopartículas não iônicas. Uma vez que a nucleação das gotas é o mecanismo predominante em reações de polimerização via miniemulsão, pode-se conduzir estas reações tanto com iniciadores hidrossolúveis, quanto organo-solúveis. Sendo que, dependendo da formulação e condições, outros mecanismos de nucleação de partículas, como micelar e homogênea, podem ocorrer. Dessa forma, este trabalho estudou a polimerização de acetato de vinila via miniemulsão, onde os objetivos foram (i) analisar os efeitos de diferentes surfatantes sobre a estabilidade do sistema, (ii) verificar o efeito da concentração de agente hidrofóbico sobre a velocidade de reação e (iii) avaliação do tipo de inciador, organo-solúvel e hidrossolúvel, sobre a nucleação de partículas. Experimental Material Todos os reagentes acetato de vinila (VAc), Miglyol 812 (Sasol), 2,2-azo-bisisobutironitrila (AIBN 98%, Vetec Química), persulfato de potássio (KPS, Vetec Química), lecitina (Alfa Aesar) e polioxietileno-20-sorbitan monooleato (Tween 80, Oxiteno) foram utilizados como fornecidos e, a água utilizada como meio contínuo foi destilada. Preparação das Nanopartículas As reações de polimerização de acetato de vinila (VAc) foram realizadas com o objetivo de se formar tanto nanoesferas quanto nanocápsulas. Sendo que nas últimas, o co-estabilizador além de

3 retardar a degradação difusional (degradação de Ostwald), também é responsável pela formação do núcleo da partícula. A miniemulsão foi formada a partir da fase orgânica, contento VAc, Miglyol 812, surfatante e iniciador organo-solúvel. E a fase aquosa contendo água, iniciador e surfatante hidrossolúveis, quando os últimos são utilizados. A Tabela 1 apresenta as formulações. Primeiramente, a fase orgânica foi agitada magneticamente por 50 minutos, enquanto que, a fase aquosa quando composta também pelo Tween 80 e KPS foi agitada por 20 minutos. Em seguida, as fases aquosa e orgânica foram misturadas, sendo primeiramente agitadas (agitação magnética) por 20 minutos, seguida de sonicação com um ultra-som acoplado a uma ponteira (Fisher Scientific, Sonic Dismembrator Model 500, 400 W) por 4 minutos com uma amplitude de 60%. Para evitar um aumento de temperatura no meio durante a sonicação, o que levaria a iniciação precoce da reação, esta foi realizada em um reator encamisado tendo um banho criostático a 10 C circulando água em sua camisa. Tabela 1 - Apresentação das formulações das miniemulsões. Reagentes Látex Esf-0 Esf-1 Caps-0 Caps-1 Caps-T80 Caps-Le Caps-KPS Fase Orgânica Vac (g) 5,700 5,700 3,000 3,000 3,000 3,000 3,000 Miglyol 812 (g) 0,300 0,300 3,000 3,000 3,000 3,000 3,000 Lecitina (g) 0,090 0,090 0,090 0,090 0,090 0,140 0,090 AIBN (g) 0,070 0,350 0,070 0,350 0,350 0,350 - AIBN (%)* 1,228 6,140 2,333 11,667 11,667 11,667 - Fase Aquosa Água (g) 24,000 24,000 24,000 24,000 24,000 24,000 24,000 Tween 80 (g) 0,080 0,080 0,080 0,080 0,080** - 0,080 KPS (g) ,075 KPS (%)* ,500 * % mássico com relação ao monômero ** adicionado imediatamente após a sonicação Observa-se que nas reações com Tween 80 na sua formulação, uma alíquota de 3 ml de água foi separada para solubilizar este, a qual foi adicionada a miniemulsão no procedimento padrão na fase aquosa e, em Caps-T80 imediatamente após a sonicação. O mesmo procedimento foi adotado para o iniciador hidrossolúvel, o qual foi adicionado imediatamente após a sonicação. Enfatiza-se que em todas as miniemulsões, a quantidade molar de surfatante é a mesma. As reações foram realizas em batelada em ampolas de 20 ml imersas em um banho termostático com temperatura igual 70 C com duração de 6h.

4 Análises Os tamanhos médios das nanogotas e das nanopartículas do látex, bem como o índice de polidispersão, foram obtidos por espalhamento de luz dinâmico (DSL Malvern Instruments, Zeta Sizer Nano S). Para tanto, as amostras foram diluídas em água saturada com monômero para evitar que o monômero seja transferido da gota para a fase contínua. Já o perfil de conversão foi obtido através de dados de gravimetria, onde uma alíquota da amostra era retirada periodicamente e a reação era interrompida imediatamente com a adição de uma solução de 1% em peso de hidroquinona. A partir dos dados de diâmetro médio das partículas e conversão, pode-se calcular o número de partículas (Np). Amostras finais das reações foram analisadas com microscopia eletrônica de varredura de alta resolução (JEOL JSM-6701F) com canhão de emissão de elétrons por efeito de campo (MEV-FEG) para verificar a morfologia das nanopartículas. Estabilidade das Nanogotas A estabilidade das nanogotas foi analisada em miniemulsões com as formulações iguais as dos látices Caps-1, Caps-T80 e Caps-Le a partir de medidas de tamanho das nanogotas durante 6h. Dessa forma, pode-se verificar a estabilidade proporcionada apenas pela lecitina e pelo sistema formado por lecitina e Tween 80, possibilitando a determinação de melhor procedimento de adição do Tween 80 na miniemulsão. A estabilidade das miniemulsões foi acompanhada com medidas de tamanho das gotas de monômero periodicamente durante 6h a uma temperatura ambiente e também na temperatura de reação, 70 C. Para tanto, um alíquota de amostra foi diluída em água saturada com monômero e realizada DSL. Resultados e Discussão Efeito do tipo de Surfatante Para avaliar o efeito do surfatante sobre a conversão e identidade da nanopartículas, lecitina e o Tween 80, surfatantes biodegradáveis foram utilizados. Sendo que três procedimentos distintos foram adotados: (i) o procedimento padrão consiste em dissolver a lecitina na fase orgânica, enquanto que o Tween 80 é dissolvido na fase aquosa, Caps-1, (ii) uma alíquota de água é separada para a dissolução do Tween 80, a qual é adicionada a miniemulsão imediatamente após o término da sonicação, Caps-T80, e, (iii) apenas lecitina é utilizada como surfatante, Caps-Le, onde a quantidade adicionada foi mensurada para se ter o mesmo número de moles que nos primeiros

5 procedimentos. A formulação das miniemulsões consiste em 0,35g de AIBN e 3,0g de Miglyol 812. A Figura 1 apresenta os resultados obtidos. a) b) Figura 1 Evolução de a) conversão ao longo do tempo e b) diâmetro ao longo da conversão das reações de polimerização de nanocápsulas com 0,35g de AIBN e surfatante iguais a ( ) lecetina, ( ) lecitina e Tween 80 adicionado antes e ( ) lecitina e Tween 80 adicionado após da sonicação. A partir da Figura 1 (a), pode-se afirmar que os diferentes surfatantes e procedimentos aplicados não atuam significativamente sobre a cinética da reação. Contudo, na Figura 1 (b) observa-se uma diferença de grande relevância nos diâmetros das partículas, onde Caps-T80 apresentou o maior diâmetro, igual a 302 nm iniciais e, Caps-1 e Caps-Le apresentaram diâmetros iniciais iguais a 223 nm e 222 nm, respectivamente. Estes resultados apresentados na Figura 1 (b) mostram que, para as formulações avaliadas, o diâmetro médio inicial das gotas e, consequentemente, a evolução do diâmetro médio das partículas durante a polimerização é função da quantidade de surfatante presente durante a sonicação, independentemente do tipo, somente lecitina (Caps-Le) ou lecitina e Tween 80 (Caps-1). A reação Cap-T80, na qual o Tween 80 foi adicionado somente após a sonicação, por outro lado, apresentou diâmetros iniciais e ao longo de toda a reação consideravelmente maiores. Entretanto, é importante mencionar que o látex Caps-1 com os dois surfatantes apresentou maior estabilidade na etapa final da reação do que o látex Caps- Le, somente com lecitina. Adicionalmente, na Figura 1 (b) pode ser observado um aumento do diâmetro médio das partículas durante as três reações realizadas. Para verificar se este aumento pode ser atribuído à falta de estabilidade das miniemulsões o diâmetro médio das gotas destas três miniemulsões (sem polimerização) foi acompanhado durante 6 horas. A Figura 2 apresenta os resultados obtidos. Pode-se observar na Figura 2 que com os procedimentos de adição do surfatante hidrofílico, antes e após a sonicação, obtiveram-se diâmetros médios distintos entre si, iguais a 223 nm e 312 nm, como nas reações apresentadas na Figura 1, enquanto que apenas a lecitina, apresentou diâmetro médio igual a 233 nm.

6 Figura 2 - Evolução de diâmetro ao longo do tempo das miniemulsões com 0,35g de AIBN, 3,0g Miglyol 812 e surfatante iguais a ( ) lecitina, ( ) lecitina e Tween 80 adicionado antes e ( ) lecitina e Tween 80 adicionado após da sonicação. Sabe-se que a estabilidade do sistema é diretamente afetada pelo aumento da temperatura, onde a instabilidade das gotas é um processo cinético, o qual é mais aparente quando há baixas taxas de polimerização (5). Dessa forma, teste de estabilidade das formulações Caps-1 e Caps-Le foram realizados a 70 C. Porém, sem adição de AIBN. A Figura 3 apresenta os resultados. Figura 3 - Evolução de diâmetro ao longo do tempo das miniemulsões a 70 C com 3,0g Miglyol 812 e surfatante iguais a ( ) lecitina, ( ) lecitina e Tween 80 adicionado antes da sonicação. A partir dos resultados obtidos, pode-se afirmar que todos os procedimentos e formulações proporcionam uma miniemulsão estável, inclusive na temperatura de reação. Logo, o aumento gradativo do tamanho das partículas durante as reações, Figura 1 (b), é uma característica deste sistema de polimerização do acetato de vinila. Segundo Fergusson et al. (6), PVAc é um polímero maleável, devido a sua baixa temperatura de transição vítrea e que pode sofrer hidrólise durante a polimerização, levando a coalescência das partículas. Comparação entre Nanocápsulas e Nanoesferas O iniciador orgâno-solúvel, que se decompõe e forma radicais predominantemente nas gotas de monômero, foi usado nas reações Esf-0 e Caps-0 e, Esf-1 e Caps-1 que distinguem-se entre si pela quantidade de iniciador utilizada, 0,07g e 0,35g, respectivamente. Sendo que ambas foram

7 preparadas com surfatantes lecitina, dissolvida na fase orgânica e Tween 80, dissolvido na fase aquosa. Sabe-se que Miglyol 812 é triacilglicerol de ácidos caprílico e capróico, sendo geralmente usado para solubilizar fármacos hidrofóbicos, obtendo-se assim uma formulação adequada para aplicação oral (3). Uma vez que o Miglyol 812 é solúvel no monômero, hidrófobo e insolúvel no poli(acetato de vinila), PVAc, o encapsulação é possível. A partir deste fato, as formulações para nanocápsulas contém 50% em massa de agente hidrofóbico, enquanto as nanoesferas, apenas 5% em massa na fase orgânica. A Figura 4 apresenta os perfis de conversão e diâmetro para os látex Esf-0 e Caps-0. a) b) Figura 4 - Evolução de a) conversão ao longo do tempo e b) diâmetro ao longo da conversão das reações de polimerização com 0,07g de AIBN de ( ) nanoesferas contendo 0,3 de Miglyol 812 e ( ) nanocápsulas contendo 3,0 g de Miglyol 812. A partir da Figura 4 (a) observa-se que a quantidade de Miglyol 812 influencia na cinética da reação. Onde, no látex Caps-0, cuja preparação contém maior quantidade de Miglyol 812 quando comparada ao látex Esf-0, a velocidade de reação foi mais lenta. Acredita-se que as diferenças entre as curvas de conversão pode ser devido a transferência de cadeia para o hidrófobo. Tal resultado também foi obtido por Bathfield et al. (7), onde os autores comparam a cinética de reação de estireno e acetato de vinila com a mesma formulação e observaram que o VAc é mais sensível a transferência de cadeia para ácidos graxos. O mesmo efeito também pode ser observado comparando-se reações em miniemulsão de metacrilato de metila e acetato de vinila, onde o último apresentou uma cinética de reação mais lenta, segundo Bernardy et al. (8). Como apresenta a Figura 4 (b), o diâmetro das nanogotas e nanopartículas depende da quantidade de Miglyol 812, tendo como valores iniciais 176 nm e 222 nm. Tal resultado também foi obtido por Rajot et al. (3). Contudo, houve um aumento ao longo da reação, significando alguma coalescência. A Figura 5 apresenta micrografias de MEV-FEG das partículas sintetizadas na reação Esf-0 onde pode ser observado que as partículas são esféricas e com uma distribuição relativamente larga de tamanhos.

8 Figura 5 Micrografia MEV-FEG de partículas (nanoesferas) da reação Esf-0. A seguir, a Figura 6 apresenta os resultados para reações realizadas com uma concentração mais elevada de iniciador. a) b) Figura 6 Evolução de a) conversão ao longo do tempo e b) diâmetro ao longo da conversão das reações de polimerização com 0,35g de AIBN de ( ) nanoesferas contendo 0,3 de Miglyol 812 e ( ) nanocápsulas contendo 3,0 g de Miglyol 812. A Figura 6 (b) apresenta o mesmo comportamento observado anteriormente, a dependência do diâmetro com a quantidade de Miglyol 812, onde os diâmetros iniciais foram iguais a 195 nm e 223 nm, para nanoesferas e nanocápsulas ambas contendo 0,35g de AIBN, respectivamente. Sendo que houve um aumento gradativo de diâmetro até atingir 60% de conversão, a partir da qual, estes se apresentaram constantes. Com relação à transferência de cadeia para o hidrófobo, mencionada anteriormente, observa-se na Figura 6 (a) que, apesar de as curvas de conversão ainda apresentarem uma diferença, seus valores se encontram mais próximos. Tal fato se deve a maior quantidade de iniciador adicionada, o qual compensa até certo ponto a transferência de cadeia para o hidrófobo. Efeito do tipo de Iniciador Uma das características que fazem da miniemulsão um processo de polimerização tão atrativo é as nanogotas serem o lócus da polimerização, que além de permitir o encapsulação, possibilita a aplicação de iniciadores tanto organo-solúveis, quanto hidrossolúveis. Assim, AIBN foi

9 usado como iniciador hidrossolúvel, Caps-1, enquanto que o KPS, organo-solúvel, Caps-KPS. A Figura 7 apresenta os perfis de conversão e diâmetro. A partir da Figura 7 (a), pode-se observar que a cinética de reação com iniciador KPS é mais rápida que a AIBN, apesar de o primeiro se encontrar em menor quantidade. Isto ocorre por que os radicais formados na decomposição do AIBN dentro das partículas podem se recombinar, devido ao pequeno tamanho das partículas. Além disso, ao contrário do observado com AIBN, o diâmetro das partículas permanece praticamente constante na reação com KPS como iniciador, Figura 7 (b). A Tabela 2 apresenta alguns dados da influência destes iniciadores sobre o diâmetro inicial gotas e final das partículas. a) b) Figura 7 - Evoluçãode a) conversão ao longo do tempo e b) diâmetro ao longo da conversão das reações de polimerização de nanocápsulas com Miglyol 812, lecetina, Tween 80 e iniciadores iguais a ( ) 0,35g de AIBN e ( ) 0,075g de KPS. Nos resultados apresentados na Tabela 2 pode ser observado que na reação com KPS a razão entre o número de partículas de polímero (Np) e número de gotas de monômero (Nm) apresenta um valor próximo de um. Este resultado indica que o número de partículas se manteve relativamente constante durante esta reação, apesar da presença de iniciador hidrofílico (KPS) e da solubilidade relativamente alta de acetato de vinila, igual a 2,0 g/100 g a 20 C (9), e que, portanto, provavelmente os mecanismos de nucleação micelar e homogênea e de degradação por coalescência ou degradação difusional não foram acentuados. Tabela 2 - Influência do iniciador sobre o diâmetro das gotas e partículas de nanocápsulas. Reação Iniciador D m (nm) IPd m D p (nm) IPd p N p /N m Caps-1 AIBN Caps-KPS KPS Por outro lado, o reduzido valor de N p /N m e o aumento do valor índice de polidispersão (IPd) observado na reação Caps-1 aponta para a coalescência de partículas durante esta reação. Um fator relevante que pode ter influenciado nos resultados é o fato de KPS ser um iniciador iônico, sendo que os íons formados proporcionam uma estabilidade eletrostática. Ao contrário do que

10 acontece com o AIBN, o qual é um iniciador não iônico e a estabilidade da miniemulsão é proporcionada apenas pelos surfatantes não iônicos, os quais fornecem uma repulsão estérica entre as partículas. Conclusões Neste trabalho foram apresentadas diversas polimerizações em miniemulsão de acetato de vinila, onde nanocápsulas não iônicas e estáveis foram obtidas, podendo ser aplicadas como carreadoras de fármaco. A partir dos resultados observou-se que Miglyol 812 influencia de forma acentuada a cinética da reação, possivelmente, devido a reações de transferência de cadeia para o triacilglicerol. Como surfatantes biocompatíveis, o uso combinado de lecitina e Tween 80 é eficiente na prevenção da degradação por difusão. Os testes de estabilidade corroboram com tal afirmação, mostrando que miniemulsões, estabilizadas com o sistema lecitina e Tween 80, adicionado antes da sonicação, produzem o menor tamanho de partículas. Agradecimentos Ao CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico pelo apoio financeiro e ao Laboratório Central de Microscopia Eletrônica (LCME) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Referências Bibliográficas 1. Schaffazick, S. R.; Guterres, S. S.; Química Nova, 2003; 26; 5; Tiarks, F.; Landfester, K.; Antonietti, M.; Langmuir; 2001; 17; Rajot, I., Böne, S., Graillat, C., Hamaide, Macromolecules, 2003; 36; Aizpura, I.; Amalvy, J. I.; Barandiaran, M. J.; Physicochemical and Engineering Aspects; 2000; 166; Bohórquez, S. J.; Asua, J. M.; Macromolecules; 2008; 41; Ferguson, C. J., Russel, G. T., Gilbert, R. G.; Polymer; 2002; 43; Bathfield, M., G. C., Hamaide, T.; Macromolecular Chemistry and Physics, 2005; 206; Bernardy, N.; Barcelos, E. I.; Senna, E. L.; Araujo, P. H. H.; Sayer, C.; in Anais XVII COBEQ, Recife, Bahattab, M. A.; Journal of Applied Polymer Science; 2005; 98;