Secagem supercrítica de aerogéis compostos por polímeros naturais para aplicações biomédicas

Abstract

Na engenharia de tecidos, scaffolds permitem a regeneração de tecidos ou órgãos danificadospodendo ser constituídos por aerogéis à base de polímeros naturais. O processo de produçãoengloba: a formação de um hidrogel através da gelificação; a formação de um alcogel com asubstituição da água por um solvente como o etanol; e por fim, a secagem com dióxido decarbono supercrítico originando um aerogel. A etapa mais demorada, a formação do alcogel, éatualmente realizada a pressão e temperatura ambiente. De modo a acelerar este processo,procura-se tirar partido de pressões e temperaturas elevadas, sendo esta etapa realizada nomesmo equipamento da secagem supercrítica. Assim, com a realização deste trabalho,pretende-se integrar e otimizar as diferentes fases do processo de produção de um aerogel,realizando-o em modo contínuo no mesmo equipamento. Procura-se também comparar a trocade solvente a alta pressão com o método convencional a condições atmosféricas através deanálises ao alcogel e ao solvente. Com os resultados obtidos, foi possível realizar a troca desolvente a alta pressão com soluções de 20, 40, 70 e 100% com respetiva renovação. As análisesà concentração da fase líquida, mostram que as soluções de solvente a alta pressão possuemmais água do que a pressão normal no final de cada etapa, indicando a eficiência deste método.Relativamente à fase sólida, a etapa inicial e final necessitam de ser prolongadas, visto que oalcogel ainda possui uma quantidade considerável de água. Relativamente à última etapa, aredução do tempo da secagem supercrítica não aumenta significativamente a humidade doaerogel obtido, sendo possível realizar esta etapa em 2 horas. Este processo origina materiaiscom poros na mesoporosidade. Comparativamente às amostras liofilizadas, os aerogéispossuem maior área total dos poros e porosidade, o que é mais vantajoso para aplicaçõesbiomédicas. O método proposto permite reduzir a duração da etapa da troca de solvente, apesardeste processo ainda necessitar de otimização. Os aerogéis obtidos apresentam morfologia eestrutura química típicas destas estruturas.

In tissue engineering, scaffolds can be used to help regenerate damaged tissues or organs beingthen degraded and processed by the human body. These temporary structures may consist ofnatural polymer-based aerogels, taking advantage of their unique characteristics. Theproduction process consists of: the formation of a hydrogel by the gelation of an aqueouspolymeric solution; an alcogel replacing water with a solvent such as ethanol; and finally,drying with supercritical carbon dioxide forming an aerogel. The longest step, the formation ofthe alcogel, is currently performed at ambient conditions. In order to accelerate this process,high pressure and temperature can be taken advantage of, performing two steps in the sameequipment. Thus, with this work, it’s intended to integrate and optimize the different phases ofthe production process of an aerogel, making it a continuous process performed in the sameequipment. It’s also proposed to compare high-pressure solvent exchange with the conventionalmethod by analyzing the alcogel and solvent with different techniques. With the obtained resultsit was possible to perform a high-pressure solvent exchange with 20, 40, 70 and 100% solutionsof ethanol with respective renovation. With the analysis of the concentration of the liquid phase,it was shown that high pressure solvent solutions have more water than those at normal pressureat the end of each step, which allows the reduction of processing time. With respect to the solidphase, the initial and final steps must be extended, since the alcogel still has a significant amountof water. Regarding the last stage, the reduction of the supercritical drying time does notincrease significantly the aerogel’s moisture making it possible to perform this step in 2 hours.This process yields materials with slightly high densities but with pores in the mesoporosityrange. Compared to lyophilization, the aerogels have higher total pore area due to havingsmaller pores. This suggested method allows to reduce the duration of the solvent exchangestep, despite still needing some optimization. The aerogel has the morphology and chemicalstructure that’s typical of this material.