Encapsulamento de ZnAl 2 O 4 :Eu 3+ usando a Quitosana como Polímero Biocompatível

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1 Encapsulamento de ZnAl 2 O 4 :Eu 3+ usando a Quitosana como Polímero Biocompatível Patrícia T. A. Santos 1, Polyanna S. Melo 2, Tatiana S. Barros 2,, Severino A. Júnior 3, Marcus V. L. Fook 2, Ana C. F. M. Costa 2* 1* Pós Graduação em Engenharia de Processos da UfCG, 2 Depto. de Engenharia de Materiais da UfCG, Av. Aprígio Veloso - 882, Bodocongó, , Campina Grande/PB - anacristina@dema.ufcg.edu.br; 3 Depto de Química da UFPE salvesjr@ufpe.br Encapsulation of ZnAl 2 O 4 :Eu 3+ using chitosan as Polymeric Biocompatible In the last years, it can be observed an increase interest in preparation and using of inorganic metallic oxide nanoparticles doped with rare earth ions, as biologic tracing in immunity test technology. The encapsulation of nanoparticles with biocompatible polymers can give a conjugation of them with biological systems. Among the several polymers adequate characteristics to this meaning, chitosan stand out due to is not toxic and easy to obtain. This work consist on the preparation of ZnAl 2 O 4 nanoparticles doped with europium (Eu 3+ ) and followed by encapsulation with biocompatible polymer chitosan and its characterization. The samples were characterized by infrared spectroscopy and ultraviolet. The results show the efficiency of the nanoparticles encapsulation. Keywords: immunoassay, chitosan, encapsulation. Introdução O uso de nanopartículas luminescentes como marcapassos (sondas ópticas) em tecnologia para imunoensaios tem sido alvo de vários estudos nos últimos anos. Estas nanopartículas inorgânicas por possuírem um caráter hidrofílico elas tendem a se aglomerar quando introduzidas em filmes poliméricos de caráter hidrofóbico. A aglomeração provoca prejuízo na característica óptica desejada. Este problema pode ser sanado a partir do encapsulamento destas nanopartículas com um polímero que apresente caráter semelhante ao do agente ligante que será empregado na formulação [1, 2]. A quitosana tem sido sujeito na preparação de microesferas e microcápsulas em muitos artigos científicos e patentes, devido as suas interessantes propriedades. A quitosana é biocompatível, biodegradável, não-tóxico e um polímero muco-adesivo que a faz muito atrativa para aplicações em medicina e farmácia [3, 4]. É um polissacarídeo catiônico linear, composto essencialmente de β- glucosamina ligadas juntamente com alguma proporção de unidades de N-acetilglucosamina. A preparação do encapsulamento de nanopartículas (nanocompósito) pela quitosana pode ser feita por várias técnicas, tais como: gelação ionotrópica, recobrimento da quitosana, complexa e simples coacervação, spray drying etc. [5].

2 Nos últimos anos, a combinação da Imunologia à Química Analítica bastante explorada em análises clínicas, tem despertado o interesse de outras áreas como a ambiental, ocupacional, de alimentos e biomédica. Uma das razões que tem influenciado este fato é o crescente rigor nas fiscalizações do meio ambiente e de alimentos, por parte de entidades nacionais e internacionais, tornando-se urgente à necessidade de desenvolver técnicas rápidas e seletivas para uma grande variedade de ensaios analíticos [6]. A necessidade de materiais com emissão de luz sintonizável têm aumentado com o crescente desenvolvimento tecnológico. A criação de novos dispositivos depende em geral, da obtenção de materiais que possam ser sintetizados, sem que haja a necessidade de utilização de condições especiais de síntese. Dentre os vários modelos propostos e estudados, a dopagem de matrizes cerâmicas semicondutoras com íons lantanídeos também conhecidos como terras raras objetivando a obtenção de materiais com propriedades luminescentes, tem se mostrado promissora, principalmente devido à qualidade da luminescência observada. Devido a esta forte característica luminescente em conseqüência da configuração eletrônica, os íons lantanídeos, têm sido amplamente utilizados em pesquisas com geração de luz visível por conversão de energia, no estado sólido [1, 2, 7]. Os íons lantanídeos mais utilizados são o európio (Eu 3+ ) e térbio (Tb 3+ ) para fabricação de fósforos luminescentes (materiais capazes de emitir radiação no visível quando excitados por radiação ultravioleta, raios-x, bombardeamento de elétrons, fricção ou outra forma de excitação [8], érbio (Er 3+ ) e túlio (Tm 3+ ) incorporado em concentrações especifica a cristais, vidros e vitrocerâmicas, através de excitação na região do infravermelho por mecanismos de conversão ascendente de energia [9, 10]. O aluminato de zinco (ZnAl 2 O 4 ) devido a sua alta estabilidade térmica e transparência na região do visível têm sido usados como matriz para incorporação de íons lantanídeos [11]. O aluminato de zinco é um semicondutor que apresenta um gap de energia em torno de 3.8 ev, o que indica a sua transparência para a luz com comprimento de onda superior a 320 nm. Esta característica o torna bastante atraente como rede hospedeira para íons capazes de gerar luminescência, tais como íons de metais de transições externa e íons transição interna, de terras raras [12]. Com base no contexto acima exposto, este trabalho tem como objetivo a preparação de nanocompósitos de nanopartículas de ZnAl 2 O 4 dopado com o íon terra rara európio (Eu 3+ ), por meio de encapsulamento com um polímero biocompatível quitosana - e sua caracterização, visando à preparação de marcadores luminescentes. Experimental

3 Para reprodução dos pós de nanopartículas de aluminato de zinco dopado com európio foi utilizada a metodologia proposta por Barros (2005) [13]. Os nitratos de alumínio e de zinco serão misturados com o óxido de terra rara adequado e a uréia formando uma solução. A solução foi aquecida em uma placa quente (480 C) até ocorrer à reação de combustão, e em seguida o pó ainda na forma de flocos será levado a um forno tipo mufla (500 C) onde permanecerá durante 15 minutos. O produto da reação foi então desaglomerado em almofariz, e peneirado em peneira malha 325. Neste estudo para a obtenção do encapsulamento, a quitosana foi dissolvida numa solução de ácido acético a 1% (com agitador) em uma placa com agitação a temperatura ambiente. Em seguida, foi introduzida a solução do aluminato de zinco dopado com európio com álcool etílico na quitosana aos poucos sob constante agitação. Depois foi adicionado a essa solução metil metacrilato e etilenodiamina, sob constante agitação por um período de 2 horas. Depois foram adicionadas as mesmas quantidades de metil metacrilato e etilenodiamina à solução sob agitação por mais 2 horas. A solução de quitosana foi colocada numa centrífuga por 25 minutos em alta rotação. Desprezou-se o líquido e colocou-se água destilada nos tubos (sempre agitando com uma espátula) para a lavagem da quitosana. Esse processo de lavagem foi repetido por cinco vezes. A quitosana foi dividida em três partes: parte I, o sobrenadante (quitosana-água), a parte II do meio (quitosana) e parte III (extrato) foi colocada em um vidro de relógio. E em seguida introduzida na estufa por 24 horas, em uma temperatura de aproximadamente 47,5 C (temperatura verificada com um termômetro durante todo dia para estabilizar e atingir a temperatura desejada). Os pós após o encapsulamento foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho e ultravioleta. Os espectros de FTIR dos pós foram coletados em pastilhas de KBr a 1%, usando um espectrômetro Shimadzu Spectrum BX Perkin Elmer, entre 4000 e 400 cm -1, com resolução de 4 cm -1 e 100 varreduras. As amostras submetidas à análise de espectroscopia de ultravioleta foram diluídas em uma proporção 1:100 utilizando como solvente água destilada. Para análise foi utilizado o espectofotômetro da Shimadzu UV 2501 PC. Resultados e Discussão A condição em que o processo é realizado interfere de forma decisiva nas características do nanocompósito de aluminato de zinco dopada com európio. Através do controle dos parâmetros em que o processo é realizado, tais como, condição de aquecimento, temperatura e tempo de degradação do polímero se garante a obtenção do nanocompósito, homogêneos e com formação de aglomerados friáveis (fáceis de desaglomeração) adequados para obtenção de microestruturas uniformes, resultando em produtos com excelentes propriedades. A Figura 1 mostra o espectro

4 vibracional na região do infravermelho dos pós do espinélio de ZnAl 2 O 4 dopado com európio, obtidos por reação de combustão na faixa de cm -1. 2,0 1,8 ZnAl 2 O 4 :Eu 3+ x=0,05 transmitância 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 OH CO 2 0,6 0, comprimento de onda (cm -1 ) Figura 1 - Espectro do pó luminescente aluminato de zinco dopado com európio. De acordo com o espectro podem-se observar duas bandas com comprimentos abaixo de 1000 cm -1 que são bandas características de um espinélio. A banda ν 1 localizada na faixa de 600 cm -1 é atribuída às vibrações dos sítios tetraédricos e a banda ν 2 localizada na faixa de 480 cm -1 corresponde às vibrações dos sítios octaédricos. EL-SAYED et al. (2002) [14], estudando a influência do zinco em algumas propriedades das feritas Ni-Zn obtida pelo método de mistura convencional de mistura de óxidos também observou as bandas de absorção ν 1 e ν 2 características da ferrita espinélio abaixo de 1000 cm -1. Podemos observar também que, há uma banda larga na faixa de 3600 cm -1 característico de ligações O-H-O e uma banda em torno de 2300 cm -1 o que identifica a presença de CO 2. Em virtude do caráter apolar e hidrofílico da cerâmica sintética estas nanopartículas têm a facilidade de formarem aglomerados causando prejuízo nas propriedades óticas da cerâmica sintética. A banda característica de CO 2 deve ser proveniente possivelmente do gás que não foi totalmente removido durante a síntese. A seguir, a Figura 2 mostra o espectro na região do infravermelho para a quitosana pura.

5 0 2 transmitância (%) comprimento de onda (cm -1 ) Figura 2 - Espectros de absorção na região do infravermelho para a quitosana pura. O espectro apresenta uma banda larga em torno de 3600 cm -1 devido ao estiramento axial OH, que é atribuído ao álcool utilizado como solvente para modificar o caráter hidrofílico da matriz cerâmica; deformação axial de CN grupos aminos presentes (entre 1308 a 1380 cm -1 ); deformação axial de - CN de amida (por volta de 1425 cm -1 ). A interação polímero-cerâmica ocorre através dos grupos aminos protonados (NH + 3 ) da quitosana, portanto uma interação iônica pode ser evidenciada na região próxima a 1522 cm -1. Em torno de 1800 cm -1 podemos observar uma banda de estiramento C=O de amida secundária, sendo uma contribuição da quitina, e às vibrações de deformação média N-H de amina primária. Essas bandas características foram observadas por Brugnerotto et al (2001) [15] e Santos et al (2003) [16], quando estudaram a caracterização de quitosanas comerciais de diferentes origens. Segundo Laus et al (2006) [17] estudando microesferas de quitosana reticuladas, observam uma banda em torno de 1522 cm -1 atribuida aos grupos aminos protonados (NH + 3 ). A seguir a Figura 3 mostra o espectro vibracional dos nanocompósitos de aluminato de zinco dopado com európio com a matriz polimérica quitosana. 0 2 transmitância (%) comprimento de onda (cm -1 )

6 Figura 3 Espectro de absorção na região do infravermelho dos nanocompósitos de aluminato de zinco dopado com európio com a matriz polimérica quitosana. De acordo com o espectro podemos observar que houve um deslocamento das bandas características da quitosana com a introdução do aluminato de zinco na matriz polimérica. Comparando o espectro de infravermelho do pó luminescente aluminato de zinco dopado com európio (Figura 1) e o espectro obtido para o nanocompósito de aluminato de zinco dopado com európio com a matriz polimérica quitosana (Figura 3), observa-se duas bandas abaixo de 1000 cm -1 observadas no espectro para o aluminato de zinco dopado com o Eu 3+ (Figura 1). Isto é um forte indicativo que ocorreu a incorporação do aluminato de zinco dopado com o Eu 3+ na quitosana, ou seja, o pó luminescente foi recoberto com a matriz polimérica quitosana. A radiação eletromagnética com um comprimento de onda menor que a da luz visível características do material, pode ser observada nas Figuras 4 e 5, onde existem os comprimentos de onda da quitosana pura e da quitosana após encapsulamento com aluminato de zinco dopado com európio. O espectro da Figura 4 mostra como se comporta a região do visível para a quitosana pura. Pode observar que região do UV possui um comprimento de onda em uma extensão de 200 a 400 nm e a região do visível de 400 a 700 nm. 5 4 Absobância (%) Comprimento de onda (nm) Figura 4 Radiação UV para a quitosana pura A Figura 5 mostra o espectro da quitosana após o encapsulamento com aluminato zinco dopado com európio. Esse espectro mostra, quando comparado com o espectro da quitosana pura (Figura 4), que a região do visível não foi afetada pela presença das nanopartículas e manteve a transparência característica da quitosana. Para comprimento de onda na região do UV, há um forte espalhamento ou absorção, com resultado da baixa transmissão da luz UV.

7 5 4 Absobância (%) Comprimento de onda (nm) Figura 4 Radiação UV da quitosana após o encapsulamento com o pó luminescente de ZnAl 2 O 4 :Eu 3+. Conclusões Os resultados obtidos neste trabalho mostram que ocorreu o encapsulamento das nanoparticulas de aluminato de zinco dopado com európio na matriz do polímero bicompatível quitosana. Essa informação pode ser comprovada através do deslocamento obtido nos picos e presença de bandas do espinélio no espectro de infravermelho, por esse possível encapsulamento não interferiu na transparência característica da quitosana. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq, e RENAMI pelo financiamento da pesquisa. Referências Bibliográficas 1. R. Bhargava; R. Gallagher, Phys. Rev. Lett. 72 (1994) M. Dejaneka; E. Snitzer; R. E. Riman, J. of Luminescence, 1995, 65, T. Chandy; C. P. Charma, Artif. Org., 1990, 1, Y. Shigemasa; S. Minami, Biotechnol. Gen. Eng. Rev. 1995, 13, C. Peniche; W. Arguelles-Monal; H. Peniche; N. Acosta, Macromol. Biosci, 2003, 3, J. E. Mark; C. Y. C. Lee, P. A.Bianconi-Americam Chemical Society Symposium Series 585, Washington, (1995) 7. B. Blazant; L. Boehm; C. K. Jorgensen; R. Reisfeld and N. Spector, J. Solid State Chem., 1980, 32, R. S. Berns, Optics & Photonics News, October 1995, F. Auzel; D. Pecile and M. Morin, J. Electrochem. Soc., 1975, 122, F. Auzel; P. Santa-Cruz and G. F. de Sá, Revue de phys. App. 1985, 20, R.J. Hill; J.R. Craig; G.V. Gibbs, Physic Chemistry Minerals, 1979, 4, S. K. Sampath; J. F. Cordaro, J. Am. Ceram. Soc. 1998, 3, 649.

8 13. B. S. Barros; P. S. Melo; L. Gama; S. Alves-Jr; E. Fagury-Neto; R. H. G. A. Kiminami; A. C. F. M. Costa, Cerâmica - Ano LI, 2005, 51, EL-Sayed. Ceramics International, 2002, 28, Brugnerotto, J.; Lizardi, J.; Goycoolea, W.; Argüelles-Monal; Desbrières, J. & Rinaudo, M. Polym., 2001, 42, 8, Santos, J. E.; Soares, J. P.; Dockal, E. R.; Campana-Filho, S. P.; Cavalheiro, E.T. G. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2003, 13, Laus, R.; Laranjeira, M. C. M.; Martins, A. O.; Fávere, V. T.; Pedrosa, R. C.; Benassi, J. C.; Geremias, R. Química Nova, 2006, 29,