Abstract
Celulose possuindo β-cyclodextrin (β-CD) foi usada como molécula hospedeira e a celulose possuindo ferroceno (Fc) como polímero convidado. Foram utilizados espectros de infravermelho, calorimetria diferencial de varredura (DSC), espectroscopia ultravioleta (UV) e análise do ângulo de contato para caracterizar a estrutura do material e o comportamento de inclusão. Os resultados mostraram que a β-CD-celulose e a Fc-celulose podem formar complexos de inclusão. Além disso, a oxidação do ferroceno e a redução do estado pode ser ajustada pelo hipoclorito de sódio (NaClO) como oxidante e o glutatião (GSH) como redutor. Neste estudo, um gel físico à base de β-CD-celulose/Fc-celulose foi formado sob condições suaves nas quais a cicatrização autônoma entre as superfícies cortadas ocorreu após 24 horas. O gel físico pode ser controlado na transição sol-gel. A resistência compressiva do gel Fc-celulose/β-CD-celulose aumentou com o aumento da concentração de celulose. A interação hospedeiro-convidado entre as cadeias laterais da celulose pode fortalecer o gel. O gel físico de celulose pode eventualmente ser usado como um material de cura e resposta a estímulos em aplicações biomédicas.
1. Introdução
Tendo em conta as crescentes preocupações ambientais e energéticas, a celulose baseada na biomassa natural tem recebido cada vez mais atenção nos últimos anos. A celulose é o polímero natural mais abundante da glucose, encontrado como o principal constituinte de plantas e fibras naturais como o algodão e o linho e é considerado um recurso renovável e sustentável de matéria-prima para satisfazer a crescente demanda por produtos ecológicos e geradores de energia . Os hidrogéis à base de celulose são materiais biocompatíveis e biodegradáveis que se revelam promissores para uma série de usos industriais, especialmente nos casos em que as questões ambientais são importantes. Tais polissacáridos naturais têm sido amplamente utilizados para a preparação de géis em vários campos, por exemplo: tratamento de águas residuais, indústria alimentar, cosmética, biomédica, farmacêutica e aplicações de engenharia de tecidos, devido às suas propriedades únicas, tais como alta capacidade de inchaço, biocompatibilidade, biodegradabilidade e funções biológicas.
Celulose, a celulose, o mais abundante polissacarídeo renovável da Terra, é um forte candidato para o fabrico de géis e géis à base de celulose foram relatados incluindo géis compostos de celulose polímero e géis híbridos inorgânicos de celulose. O design e o uso de hidrogéis à base de celulose, que geralmente associam sua biodegradabilidade a um comportamento sensível a estímulos inteligentes, juntamente com a grande disponibilidade de celulose na natureza e o baixo custo dos derivados da celulose, tornam os hidrogéis à base de celulose particularmente atraentes.
Géis à base de celulose podem ser obtidos pela estabilização física ou química de soluções aquosas de celulose. Os géis à base de celulose, reversíveis ou estáveis, podem ser formados por soluções aquosas de éteres de celulose devidamente reticuladas, tais como metilcelulose, hidroxipropilmetilcelulose, etilcelulose (EC), hidroxietilcelulose (HEC), e carboximetilcelulose de sódio (NaCMC), que estão entre os derivados da celulose mais utilizados. Dependendo do derivado de celulose utilizado, vários agentes reticulantes e catalisadores podem ser usados para formar géis. Epicloridrina, aldeídos, reagentes à base de aldeídos, derivados de ureia, carbodiimidas e ácidos carboxílicos multifuncionais são os agentes de reticulação mais utilizados para a celulose. Em função das preocupações com a aplicação do material, os géis celulósicos têm recebido atenção crescente nos últimos anos. Os materiais supramoleculares de celulose ligados por ligações nãocovalentes têm atraído muito mais atenção e têm sido amplamente estudados; sua capacidade de resposta ao ambiente externo, como temperatura, pH e medicina (portadores de liberação de drogas) têm sido de particular interesse.
No entanto, há poucos relatos sobre a aplicação de gel de celulose usado na cura. Neste estudo, um novo gel físico de celulose foi sintetizado por β-CD-celulose e Fc-celulose. A interação hospedeiro-convidado entre o β-CD-celulose e a Fc-celulose, a transição sol-gel, e as propriedades de estímulo redox do material supramolecular também foram estudadas.
2. Experimental
2.1. Material e Métodos
Celulose, β-cyclodextrin, epicloridrina, hidróxido de sódio, cloreto de lítio, N,N-dimetil acetamida, cloreto de metileno, ácido ferroceno-carboxílico, cloreto de oxalil, hipoclorito de sódio e glutationa foram comercialmente disponíveis e usados como recebidos.
IR spectra foram registrados pela FTIR (Nicolet iN10 Thermo Fisher Scientific China) na região de 400-4000 cm-1. As medições de DSC foram realizadas usando um aparelho de DSC Diamante (NETZSCHDSC 204). As amostras secas foram colocadas em células DSC de alumínio de 20 a 150°C com uma taxa de aquecimento de 10°C min-1. Os ângulos de contato de superfície foram medidos usando um analisador de ângulo de contato dinâmico (HARKE-SPCA, valor de erro de ±0,1°, Beijing HARKE Experimental Instrument Factory). As amostras de pó de celulose foram comprimidas usando uma pastilha de infravermelho. Os ângulos de contacto da superfície foram medidos durante a exposição líquida aos materiais de teste durante 1 s, a fim de evitar, tanto quanto possível, factores de penetração do material. A caracterização morfológica do gel foi realizada com microscopia eletrônica de varredura (S-3400N, HIACHI, Japão).
O método gravimétrico foi empregado para medir as razões de inchaço dos géis em água destilada a 25°C. Após a imersão em água destilada durante cerca de 48 horas para alcançar o equilíbrio do inchaço, as amostras de gel foram retiradas e pesadas após a remoção do excesso de água nas superfícies. Cada dado foi medido em três amostras, e o valor médio de três medições foi obtido. A razão de inchaço de equilíbrio (SR) foi calculada como , onde está o peso do gel inchado e é o peso do gel no estado seco.
Razões de inchaço dos géis foram medidas da seguinte forma: o gel seco foi colocado em água desionizada de 25°C. Em tempo pré-determinado, as amostras de gel foram retiradas da solução aquosa e pesadas, até atingir o equilíbrio de inchaço. Taxa de renovação : .
2.2. Preparação de Complexos de Inclusão de Celulose
2.2.1. Preparação de Cellulose-CDs
Celulose foi dissolvida em hidróxido de sódio/ureia. A esta solução foram adicionados ciclodextrina e epicloridrina. Após agitação durante 2 h, foi adicionado β-CD e a solução foi agitada por mais 12 h à temperatura ambiente. O produto polimérico foi reprecipitado a partir de água destilada e lavado com água destilada. O grau de substituição é de 0,32 wt%, que foi detectado pelo método da sonda de fenolftaleína .
Em solução aquosa de NaOH, a celulose e a epicloridrina geram a epoxi-celulose, que ligou a hidroxi de β-cyclodextrin pelo grupo da epoxi como ponte de reticulação.
2.2.2. Síntese de Fc-COCl
Ácido ferrocenocarboxílico foi suspenso em diclorometano (DCM). Em seguida foi adicionado cloreto oxalílico gota a gota, e a suspensão foi agitada durante 3 h à temperatura ambiente. A suspensão alaranjada se transformou em uma solução vermelha. Após evaporar o solvente, o produto sólido foi coletado.
2.2.3. Síntese da Celulose-Fc
Celulose foi dissolvida em cloreto de lítio/dimetilacetamida (LiCl/DMAc). A solução de cloreto de ferrocenocarboxílico foi adicionada em forma de gota. Depois de agitar à temperatura ambiente durante a noite, a solução foi lavada com água destilada. O sólido laranja foi lavado com cloreto de lítio; o produto sólido foi coletado através de uma centrífuga e secado por 4 dias a 50°C para obter celulose-Fc como um pó amarelo. A taxa de enxerto de ferroceno é de 0,57~5,7 wt%, que foi detectada por pesagem antes e depois da reação de celulose.
2,2,4. Preparação do Complexo de Inclusão Redox
Os produtos de estado oxidado (ou estado educado) foram preparados agitando quantidades apropriadas de NaClO aq. (14 mM) (ou GSH) e complexos de inclusão de Fc-CD-celulose (ou produtos em estado oxidado) à temperatura ambiente durante 24 h. A solução foi lavada com água destilada e depois o produto sólido foi coletado através de uma centrífuga e liofilizado. Uma mistura complexa foi preparada moendo os pós durante 20 min.
2.2.5. Síntese do Gel de Celulose
A ferroceno-celulose e a ciclodextrina-celulose foram dissolvidas em solução de cloreto de lítio N,N-Dimetilformamida (DMF). Vertemos a solução em um molde de vidro em uma caixa úmida até que o gel fosse estabilizado.
3. Resultados e Discussão
3.1. Caracterização
Figure 1 (curva (a)) e Figura 1 (curva (b)) mostram os espectros infravermelhos da celulose e β-CD-celulose. Segundo a Figura 1 (curvas (a) e (b)), a absorção foi observada em 3380 cm-1 (trecho hidroxil influenciado pela ligação de hidrogênio), 1646 cm-1 e 1354 cm-1 (trecho carbonil), 1043 cm-1 (carboxil em éteres) e 2920 cm-1 (metileno), que foram absorções características na celulose e nas estruturas de β-CD-celulose. Como visto na Figura 1 (curva (c)) os picos característicos da ferroceno-celulose foram 1402 cm-1, 1100 cm-1 VC-C (anel ciclopentadienil), e 816 cm-1 DC-H (anel ciclopentadienil). Os picos característicos do ferroceno desapareceram dos espectros infravermelhos do invólucro do composto de inclusão (curva (d)). Isto indicou que a ferroceno-celulose e a ciclodextrina celulósica foram formadas no complexo de inclusão. Encontros similares foram relatados na literatura.
3.2. Análise Térmica
As curvas de análise térmica dos complexos de inclusão de celulose são mostradas na Figura 2 onde pode-se observar que a curva (a) de celulose é quase uma linha reta, mas as curvas (b) (CD-celulose) e (e) (simples mistura física de CD-celulose e Fc-celulose) tiveram um forte pico exotérmico (picos de absorção de desidratação da ciclodextrina a 88.9°C e 95,9°C, resp.), correspondendo à perda de água da cavidade CD para a atmosfera, indicando que o CD estava livre de complexação do hóspede na mistura física . Caso contrário, a curva (d) (o complexo de inclusão) mostrou uma falta de picos endotérmicos, o que sugeriu que uma molécula diferente estava presente na cavidade CD, ao invés das moléculas de água e uma falta de CD puro na amostra complexa. Resultados semelhantes foram relatados na literatura para interações entre outras drogas e CDs .
3.3. As propriedades Redox
O processo de regulação redox de complexos de inclusão contendo ferroceno tem sido estudado extensivamente.
A interação hospedeiro-convidado entre o ferroceno metálico com β-CD também pode ser uma regulação reversível por oxidação e redução do ferroceno. Há mais de 20 anos, foi relatado que o ferroceno reduzido forma efetivamente um composto de inclusão com o β-CD, enquanto a oxidação do ferroceno era impossível. A natureza do ferroceno é hidrofóbica em seu estado reduzido e hidrofílica em seu estado oxidado. A regulação reversível dos complexos de inclusão formando um complexo binário pode ser obtida alterando o estado redox do ferroceno. Portanto, era esperado que os materiais celulósicos tivessem um desempenho de resposta redox através da enxertia do ferroceno na celulose.
A interação hospedeiro-convidado entre o ferroceno metálico com β-CD também pode ser uma regulagem reversível através da oxidação e redução do ferroceno. Há mais de 20 anos, foi relatado que o ferroceno reduziu as formas do composto de inclusão com o β-CD efetivamente, enquanto o ferroceno oxidado é basicamente impossível. A natureza do ferroceno é hidrofóbica no estado reduzido e hidrofílica no estado oxidado. A regulação reversível dos complexos de inclusão na forma de complexo binário pode ser obtida alterando o estado redox do ferroceno. Portanto, espera-se que os materiais celulósicos tenham o desempenho de resposta redox pelo enxerto do ferroceno na celulose.
O comportamento redox do ferroceno foi estudado através da medição do ângulo de contato superficial com a água. O ângulo de contato ciclodextrina-celulose foi de 59,6° (Figura 3(a)) e o ângulo de contato ferroceno-celulose foi de 82,1° (Figura 3(b)). O ângulo de contato mudou de 82,1° para 61,2° (Figura 3(c)) quando a ferroceno-celulose e a ciclodextrina-celulose formaram complexos de inclusão. Isto demonstrou que o ferroceno foi uma inclusão na cavidade da ciclodextrina.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
NaClO aquoso foi escolhido como oxidante e GSH como redutor. A adição de NaClO aquoso aos complexos de inclusão celulósico-βCD/celulose-Fc aumentou o ângulo de contato de 61,2° para 71,7° (Figura 3(d)). Em contraste, a adição contínua de GSH aos complexos de inclusão recuperou o grupo Fc, fazendo com que o ângulo de contato revertesse para seu valor anterior (Figura 3(e)). A celulose-β-CD mostrou uma alta afinidade para o estado reduzido do grupo Fc devido à sua natureza hidrofóbica, enquanto o estado oxidado do grupo Fc (Fc+) mostrou uma baixa afinidade para a celulose-β-CD devido ao grupo Fc+ catiônico. Além disso, os complexos de inclusão de celulose exibiram excelentes propriedades de bloqueio e desbloqueio controladas pelo redox do ferroceno.
3.4. A Resistência Compressiva do Fc-Celulose/β-CD-Cellulose Gel
Gels são compostos por uma rede de polímeros hidrofílicos tridimensionais na qual uma grande quantidade de água é interposta. A relação de reticulação da rede é importante para as propriedades mecânicas. Como a concentração de celulose aumentou de 1% (p/p) para 5% (p/p), a resistência do gel aumentou de 5 kPa para 100,5 kPa (Figura 4). Isto porque o número de locais de ligação cruzada por unidade de volume da rede aumentou com o aumento do número de grupos funcionais na cadeia molecular que foi causado pelo aumento da concentração de celulose. Melhorias semelhantes na resistência mecânica também foram observadas ao aumentar o grau de reticulação, alterando a razão de enxerto de Fc. A resistência à compressão de Fc-celulose/β-CD-gel de celulose mudou de 13,32 kPa para 40,97 kPa, pois a razão de enxerto de Fc mudou de 0,57% (p/p) para 5,66% (p/p) (Figura 5), indicando que a interação hospedeiro-convidado entre as cadeias laterais da celulose participou da formação da estrutura tridimensional da rede do gel e também afetou sua resistência.
3,5. A absorção de água do Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose Gel
A razão de inchaço do gel foi a variável mais importante a ser avaliada para determinadas condições ambientais, pois afetou as propriedades difusivas, mecânicas, ópticas, acústicas e de superfície do próprio gel. A razão de inchaço do gel de celulose Fc-celulose/β-CD diminuiu conforme aumentava a concentração de celulose (Figura 6). Isto porque a quantidade de água retida pela malha da rede de hidrogel dependia da própria estrutura da rede de polímeros. O gel de celulose Fc-celulose/β-CD-celulose foi formado por uma ligação cruzada adequada das cadeias de celulose. O número de locais de reticulação por unidade de volume da rede de polímeros aumentou com o aumento da concentração de celulose. O maior grau de reticulação não foi propício à difusão de moléculas de água.
A proporção de revenda do gel de celulose Fc-cellulose/β-CD diminuiu de 3330% (p/p) (Figura 6) para 73,06% (p/p) (Figura 7), quando o gel seco foi colocado novamente em água desionizada. O tamanho dos poros do gel superabsorvente mostrou que era a capacidade de retenção de água que gerava a eficiência de absorção. Pode ser observado que o maior número de poros pode reter mais água. A Figura 8 mostra a morfologia de liofilização do gel de celulose e do gel de celulose Fc-cellulose/β-CD; comparado com o gel de celulose, o gel de celulose Fc-cellulose/β-CD-cellulose tinha uma estrutura de poros mais densa. Após a secagem do gel, a estrutura densa dos poros foi facilmente colapsada e confinada; portanto, a proporção de revenda do gel de celulose Fc-cellulose/β-CD foi pobre.
A proporção de revenda do gel de celulose Fc-cellulose/β-CD-hidrogel de celulose.
(a)
(b)
(a)
(b)
As imagens SEM de gel ((a) hidrogel de celulose e (b) Fc-celulose/β-CD-celulose hidrogel).
3.6. A Morfologia Superficial do Gel
A morfologia superficial do gel também é mostrada na Figura 8. Celulose e Fc-celulose/β-CD-celulose foram preparados géis de inclusão pelo mesmo método. O gel de celulose (Figura 8(a)) tinha uma estrutura relativamente grande e porosa; assim como os complexos de inclusão Fc-cellulose/β-CD-celulose, o gel tinha uma estrutura superficial relativamente densa. Isto pode ter sido causado pelas diferentes forças intermoleculares decorrentes da alteração da estrutura da cadeia molecular da celulose.
4. Conclusões
Ferroceno e ciclodextrina foram enxertados na superfície da celulose, respectivamente. O gel físico de celulose foi preparado por Fc-celulose e β-CD-celulose à temperatura ambiente. A β-CD-celulose e a Fc-celulose podem formar complexos de inclusão. Além disso, a oxidação do ferroceno e redução do estado pode ser ajustada pelo hipoclorito de sódio (NaClO) como oxidante e o glutationa (GSH) como redutor. A transição sol-gel pode ser controlada. A resistência compressiva da Fc-celulose/β-CD-gel de celulose aumentou com o aumento da concentração de celulose. A interação hospedeiro-convidado entre as cadeias laterais da celulose pode fortalecer o gel. Assim, acreditou-se que essas propriedades estimulantes e cicatrizantes podem eventualmente ser usadas em várias aplicações biomédicas.
Conflito de Interesses
Os autores declaram que não há conflito de interesses em relação à publicação deste trabalho.
Agradecimentos
Este trabalho é apoiado pelos “Fundos de Pesquisa Fundamental para as Universidades Centrais” e “Guangxi Key Laboratory of chemistry and Engineering of Forest Products Open Fund Project GXFC12-03”