Development and characterization of chitosan and N-carboxybutylchitosan materials doped with biocompatible ionic liquids for application as stimuli-responsive biopolymers

Abstract

A emergente necessidade de melhorar a qualidade de vida do ser humano tem levado a indústria e a comunidade académica a desenvolver novos materiais ecológicos e de baixo custo para fins biomédicos. Este trabalho visa desenvolver e caracterizar novos polieletrólitos de estimulo-resposta baseados em polímeros eletroativos (EAPs), através da combinação de biopolímeros e líquidos iónicos derivados de amónio, com vista a obter EAPs com melhores propriedades químicas, físicas, termo-mecânicas e condutoras. O Quitosano (CS), um polieletrólito catiónico, e o seu derivado, N-carboxibutilquitosano (CBC), foram combinados com diferentes quantidades (25, 50 e 75% em termos de fração molar) de dois líquidos iónicos biocompatíveis (cloreto de colina [Ch][Cl] e di-hidrogénio fosfato de colina [Ch][DHP]) com o objetivo de estudar o seu efeito na capacidade de absorção de água e propriedades termo-mecânicas e de impedância das matrizes poliméricas. O derivado foi sintetizado através da alquilação do CS de acordo com um método descrito anteriormente na literatura. Os filmes de CS e CBC com e sem líquido iónico foram obtidos por evaporação de solvente e de seguida caracterizados por FTIR-ATR, microscopia eletrónica de varrimento (SEM), propriedades mecânicas (usando análise termogravimétrica (TGA) e calorimetria diferencial de varrimento (DSC)), propriedades mecânicas, ângulos de contacto, sorção de vapor de água (WVS), permeabilidade ao vapor de água (WVP), absorção de água a diferentes pHs e espectroscopia de impedância. O potencial destes filmes para sistemas de libertação de fármaco foi estudado, adicionando um fármaco-modelo, a dexametasona sódica (DXMTNa), aos filmes de CS e CBC com e sem líquido iónico. Os perfis de libertação foram estudados a pH 7 e 10 e a 37 ºC com o objetivo de avaliar se a presença do líquido iónico poderia atuar como um parâmetro extra, para além do pH, de modo a ajustar a libertação de fármacos carregados a partir de polieletrólitos. Os resultados demonstraram que os dois líquidos iónicos induzem hidrofilicidades diferentes aos filmes de CS e CBC consoante a quantidade adicionada. Isto leva a um impacto direto na capacidade de sorção de vapor de água dos filmes e consequentemente na sua WVP e propriedades termo-mecânicas. Estes aditivos provocaram o rearranjo das redes poliméricas, através de pontes de hidrogénio e interações eletrostáticas, levando a maiores capacidades de absorção vii responsáveis pela plasticização dos filmes e consequente diminuição da sua rigidez (filmes com líquido iónico são mais elásticos e portanto apresentam menor Módulo de Elasticidade (E)). Os filmes contendo líquido iónico apresentam valores mais baixos de impedância o que significa que a difusão das espécies carregadas no interior dos filmes é facilitada quando estes aditivos estão presentes nos polieletrólitos. Este efeito foi mais significativo nos filmes de CS contendo [Ch][DHP]. As medidas da capacidade de absorção de água em diferentes tampões salinos demonstraram que esta propriedade é altamente dependente do valor de pH e da composição das soluções tampão. O aumento da quantidade de líquido iónico leva à diminuição da pressão osmótica entre o interior do filme e o meio levando, consequentemente, à diminuição da capacidade de absorção de água. Os perfis das cinéticas de libertação da DXMTNa mostram que existem diferentes comportamentos, que estão de acordo com o pH do meio de libertação e onde a presença do líquido iónico é importante em algumas condições específicas. Após a adição de CBC a CS, com o intuito de obter um complexo de polieletrólitos (PEC), foram obtidos filmes compósitos de CS e CBC (CS/CBC). Estes filmes foram estudados como uma alternativa ao burst verificado em algumas curvas de libertação dos filmes de CBC em pH básico. Apesar de algumas desvantagens que são discutidas ao longo deste trabalho, no geral os resultados demonstram que estes filmes têm potencial em aplicações biomédicas, como sistemas de libertação controlada dependentes do pH ou como atuadores devido ao seu comportamento sensível ao pH e ao campo elétrico