Novas Estratégias para o Desenvolvimento de Hidrogéis Inteligentes Multi-Responsivos e à base de Líquidos Iónicos

Abstract

Os hidrogéis inteligentes são hidrogéis responsivos a alterações no meio envolvente que se têm destacado na engenharia de tecidos. No entanto, o seu uso continua associado a problemas como propriedades mecânicas baixas e elevada sensibilidade à força iónica do meio (devido à sua elevada capacidade de sorção de água). Um dos focos de investigação centra-se nos polieletrólitos (devido à versatilidade das propriedades dos líquidos iónicos e resultantes poli(líquidos iónicos)) e no desenvolvimento de estratégias com o intuito de melhorar a estabilidade mecânica e estrutural destes.Assim, com esta dissertação, propõe-se o desenvolvimento e caracterização diferentes polímeros condutores iónicos (PCI), especificamente hidrogéis policatiónicos eletro-responsivos à base do líquido iónico (IL) 1-butil-3-vinilimidazólio (BVImCl), através do método de polimerização em cadeia via radical livre. Foram abordadas duas estratégias de síntese, nomeadamente a copolimerização de BVImCl e 2-hidroxietil metacrilato (HEMA), reticulados com N,N'-metilenobisacrilamida (MBA) e a formação de hidrogéis de rede dupla ou interpenetradas (DN), com uma primeira rede (homopolímero poli(BVImCl)) rígida, frágil e fortemente reticulada com MBA e uma segunda rede (homopolímero poli(HEMA)) menos reticulada e mais dúctil. Para além do estudo dos efeitos associados a estes dois métodos de incorporação de IL na estrutura química, também se averiguou o efeito de diferentes graus de reticulação (nos copolímeros e na primeira rede polimérica da DN) e diferentes proporções de HEMA/Água (nos copolímeros e na segunda rede polimérica da DN) nos materiais PCI sintetizados e suas respetivas propriedades.Visa-se a futura aplicação destes hidrogéis como scaffolds para engenharia de tecidos com potencial para induzir a proliferação e a diferenciação celular, quando sujeitos a um estímulo elétrico. Com este objetivo em mente, a posterior caracterização contou com a avaliação da sua composição química (análise elemental), condutividade, resposta a força iónica (ensaios de sorção de água em meios aquosos e salinos), propriedades termomecânicas (TGA, DSC, ensaios reológicos) e capacidade de adsorção e libertação quando sujeitos a um estímulo elétrico.Os resultados obtidos provaram a obtenção de materiais responsivos a estímulos elétricos com potencial para diferentes aplicações biomédicas, desde membranas de separação de moléculas a sensores indicadores de pH. Destacou-se a possibilidade da aplicação das DN em fluídos biológicos, visto que estas demonstraram menor sensibilidade à força iónica do meio, comparativamente aos copolímeros. As DNs também foram caracterizadas como sendo mais flexíveis (devido à sua maior capacidade de sorção) mas provaram ser menos condutoras nas condições estudadas. Já os copolímeros demonstraram maior rigidez e maior condutividade elétrica do que as DNs.

Smart hydrogels are hydrogels responsive to changes in the surrounding medium that have stood out in tissue engineering. However, their use is still associated with drawbacks such as poor mechanical properties and high sensitivity to the ionic strength of the medium (as a result of their high water content). One of the major focuses of research is centered on polyelectrolytes (due to the versatility of the unique properties of ionic liquids and the resultant poly(ionic liquids)) and on the development of strategies that aim to improve their structural and mechanical stability. Thus, this dissertation proposes the development and characterization of different ionic conductive polymers (PCI), specifically eletro-responsive polycationic hydrogels based on the ionic liquid (IL) 1-butyl-3-vinylimidazolium chloride (BVImCl), via free radical polymerization. Two synthesis strategies were approached, namely the copolymerization of BVImCl and 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), crosslinked with N,N'-methylenebysacrylamide (MBA) and the synthesis of double network hydrogels (DN) (or interpenetrating polymeric networks), where the first network (homopolymer poly(BVImCl)) is rigid, brittle and highly crosslinked with MBA and the second network (homopolymer poly(HEMA)) is loosely crosslinked and ductile. Besides the study of the effects of these IL incorporation methods on the polymeric structure, the effect of different crosslink degrees (on the copolymers and first network) and HEMA/Water ratios (on the copolymers and second network) on the synthetized PCI materials, was also assessed. The aim is a future application of these hydrogels as scaffolds in tissue engineering with the potential to induce cellular proliferation and differentiation, when subjected to an electrical stimulus. With this purpose in mind, the following characterization included the assessment of chemical composition (elemental analysis), conductivity, ionic strength response (water swelling capacity in aqueous and saline mediums), thermomechanical properties (TGA, DSC, rheological measurements) and adsorption/release capacity when exposed to electrical stimulus.The achieved results proved that it was possible to obtain electro-responsive materials with potential in different biomedical applications like separation membranes of charged molecules and pH sensors. The possible application of DN in biological fluids was also highlighted, considering that they displayed lower sensitivity to the ionic strength of the medium, compared to the copolymers. The DNs were characterized as more flexible materials (due to higher WSC), but with lower conductivity. On the other hand, the prepared copolymers showed higher stiffness, as well as higher conductivity than the DNs.