Hidrogéis derivados de polímeros naturais: Desenvolvimento e aplicações

Visão geral

Hidrogéis, propriedades, classificação e importância histórica

Vagner R. Botaro[1]

André M. Senna[2]

1. Introdução

1.1 Definições e importância histórica: passado, presente e futuro

A literatura é farta em trabalhos que definem e classificam os hidrogéis. Uma das mais frequentemente referenciadas foi publicada por Peppas et al.[3] De acordo com a definição desses importantes autores, hidrogéis são redes poliméricas tridimensionais capazes de absorver grandes quantidades de água. As estruturas tridimensionais podem ser formadas por diferentes tipos de entrecruzamento entre as cadeias. Ligações covalentes produzidas através de reações de um ou mais monômeros, reticulações físicas devido a interações ou ligações de segunda ordem entre as cadeias poliméricas, incluindo associação de ligações de hidrogênio e fortes interações de Van der Waals entre as cadeias, ou, finalmente, a presença de cristalitos unindo duas ou mais cadeias macromoleculares são normalmente observadas.[4]

O interesse comercial por hidrogéis se tornou mais importante na metade do século XX. É importante salientar que a aplicação dos hidrogéis por volta de 1960 é coincidente com o início do surgimento frequente de trabalhos publicados na literatura alguns anos antes. A Figura 1.1 mostra o crescimento da quantidade de publicações relacionadas aos hidrogéis de 1997 a 2019, o que está relacionado diretamente com o ganho de importância do estudo destes materiais e as perspectivas de serem empregados comercialmente. O levantamento de dados foi realizado com base numa busca na plataforma ScienceDirect,[5] com a palavra-chave hydrogel. Pode ser observado que o crescimento é exponencial, com cerca de 774 publicações em 1997 e 9.046 publicações em 2010.

De acordo com uma excelente publicação sobre hidrogéis, Polymers and Polymeric Composites,[6] o primeiro absorvente de água foi sintetizado em 1938 por polimerização térmica de ácido acrílico e divinil benzeno em meio aquoso. Na década de 1960, um dos principais trabalhos foi publicado por Wichterle e Lim,[7] relacionado basicamente ao uso de redes hidrofílicas entrecruzadas de poli-(2-hidroxietil metacrilato) como material para lentes de contato, as quais foram revolucionárias para o setor de oftalmologia da época. Outro relato interessante também pode ser encontrado na publicação de Hasan e Abdel-Raouf. Segundo os autores, o primeiro hidrogel comercial de polímero superabsorvente do tipo sintético foi fabricado à base de amido enxertado com poliacrilonitrila, e seu produto hidrolisado foi desenvolvido na década de 1970 no Laboratório de Pesquisa Regional Norte do Departamento de Agricultura dos EUA, sendo que o produto não obteve sucesso comercial.

Evidentemente, o ganho de importância dedicado ao estudo de novos hidrogéis está relacionado com a crescente demanda no preparo de materiais únicos e que possam atender a aplicações específicas na sociedade moderna. Dentro desse contexto de atualidade, itens como a sustentabilidade e o baixo custo são essenciais para o desenvolvimento de novos materiais que sejam realmente aplicáveis comercialmente. Um exemplo muito atual é o desenvolvimento de hidrogéis para a aplicação em processos de impressão 4D. Mulakkal et al.[8] descrevem o uso de uma tinta de hidrogel compósito utilizada com sucesso no preparo de novas estruturas 4D obtidas por técnicas de impressão 4D que cada vez mais ganham interesse.

Em relação ao futuro, é possível prever que os hidrogéis serão desenvolvidos para aplicações cada vez mais importantes e com alta especificidade. Muitas dessas aplicações já são uma realidade, mas evidentemente não restam dúvidas sobre a construção de novas estruturas de hidrogéis no futuro. Desta forma, esses materiais certamente ainda serão muito utilizados na liberação de fármacos, separações e purificações de substâncias de extrema importância em setores como construção tecidual, biomateriais, entre outros. Muitas dessas aplicações serão apresentadas nos capítulos específicos a seguir.

Figura 1.1 Quantidade aproximada de publicações sobre hidrogéis de 1997 a 2019 na plataforma ScienceDirect.

Fonte: elaboração própria.

2. Classificações

Hidrogéis podem ser classificados em diferentes categorias, dependendo de vários parâmetros, incluindo métodos de preparação, tipos de carga presentes nos hidrogéis, características estruturais, mecânicas e outros parâmetros menos usuais.[9] Com base no método de preparação, os hidrogéis podem ser classificados como derivados de homopolímeros ou copolímeros. Em uma outra classificação, a presença ou não de cargas é a base, sendo que hidrogéis são apresentados como materiais neutros, aniônicos ou catiônicos. Finalmente, uma classificação conhecida para hidrogéis está associada à estrutura, sendo ela provavelmente a mais importante se forem consideradas relações entre estrutura e propriedades típicas para os materiais em geral. Desta forma, os hidrogéis podem ser amorfos, semicristalinos ou hidrocoloidais. Outros autores descrevem que os hidrogéis podem ser classificados como naturais, sintéticos ou híbridos, dependendo da natureza do polímero constituinte. Hidrogéis podem estar ligados quimicamente por ligação covalente, fisicamente por interações não covalentes ou por combinação de ambas forças. A presença de diferentes tipos de ligações ou interações intermoleculares também define uma classificação importante para os hidrogéis. A Figura 1.2 representa de forma esquemática as principais classificações dos hidrogéis de acordo com vários trabalhos descritos na literatura, sendo que outras classificações poderiam eventualmente ser incluídas no fluxograma sintético apresentado na Figura 1.2.

Figura 1.2 Fluxograma sintético que mostra possíveis classificações para os hidrogéis.

Fonte: elaboração própria.

3. Síntese, estrutura química e poder de absorção

Hidrogéis são extremamente adequados para uma variedade de aplicações.[10] De acordo com Peppas et al., Buwalda et al. e Senna, Menezes e Botaro,[11] hidrogéis são redes poliméricas tridimensionais capazes de reter uma grande quantidade de água em seu estado intumescido, e isso os torna um material único para várias aplicações. As interações responsáveis pela absorção de água incluem forças de capilaridade, osmótica e hidratação que são contrabalanceadas pelas forças exercidas pelas ligações cruzadas, que resistem à expansão das cadeias poliméricas.[12]

Peppas et al. afirmam que a capacidade de absorver grandes quantidades de água ou fluidos biológicos é a principal propriedade de um hidrogel, uma vez que a maioria de suas outras propriedades, como capacidade de sorção, cinética de expansão, permeabilidade a solutos dissolvidos, propriedades superficiais (adesividade), características mecânicas e propriedades óticas, é diretamente influenciada pelo intumescimento. Quando um hidrogel seco inicia o processo de absorção de água, as primeiras moléculas irão interagir com os grupos mais polares da estrutura tridimensional do material. À medida que estes grupos vão sendo hidratados, ocorre aumento físico da estrutura polimérica, e o intumescimento leva a uma exposição das regiões mais hidrofóbicas da matriz polimérica que deu origem ao hidrogel. Estas regiões mais hidrofóbicas são forçadamente levadas a interagir fisicamente com as moléculas de água, levando ao aparecimento de um segundo tipo de ligação entre as moléculas de água e os componentes mais hidrofóbicos do polímero. Por fim, ocorre um terceiro momento para a hidratação dos hidrogéis em função da difusão osmótica entre as cadeias. Durante estas três etapas, é possível entender que o processo de intumescimento se opõe às forças covalentes e/ou às reticulações físicas que mantêm a estrutura do hidrogel. Deste modo, o equilíbrio entre as forças de absorção e retenção de água e as de estrutura do hidrogel permite que se atinja o equilíbrio em relação à quantidade máxima de água absorvida pelo material.[13] De maneira complementar, as propostas para as aplicabilidades dos hidrogéis dependem principalmente da sua capacidade de absorver água, e essa capacidade de intumescimento está relacionada com a presença de grupos hidrofílicos como –OH, –CONH, –COOH, –SO3H e –CONH2 em sua rede polimérica.

De acordo com a natureza dos grupos que formam a rede polimérica, os hidrogéis podem ser classificados como iônicos ou neutros e, baseando-se na estrutura física da rede, os hidrogéis podem ser classificados como amorfos semicristalinos ou reticulados por ligações de hidrogênio por estruturas supramoleculares ou agregados hidrocoloidais.[14] Dentro deste contexto, a determinação da densidade de ligações cruzadas tem um papel importante para o entendimento das propriedades físico-químicas do hidrogel.

O fato notável nos hidrogéis, em geral, é que a fração volumétrica da fase sólida é muito pequena em relação ao volume final do hidrogel, mas consegue reter e imobilizar uma grande quantidade de líquido. A estrutura sólida que imobiliza o líquido pode ser composta de moléculas aderidas fisicamente entre si por forças de contato, caso em que o hidrogel é chamado hidrogel elástico, ou então a armação é uma rede tridimensional com a ligação entre os pontos, podendo ser de natureza química (covalente, iônica), e o hidrogel é dito hidrogel rígido.

Em geral, hidrogéis elásticos dissolvem-se em suspensões por esforço mecânico ou aumento de temperatura, porque as ligações entre as partículas, ou moléculas, são relativamente fracas e rompem-se pela agitação mecânica e/ou térmica. Hidrogéis rígidos são mais parecidos com os materiais poliméricos em rede tridimensional, no sentido de que não amolecem apreciavelmente quando a temperatura aumenta devido à ligação entre os pontos da estrutura sólida tridimensional ser química.[15]

Na síntese de hidrogéis, a presença de solvente no meio reacional, bem como o tipo de solvente, influencia diretamente suas propriedades. Se a quantidade de solvente presente durante a síntese for maior do que a capacidade de absorção do hidrogel no equilíbrio, ocorre a separação de fase durante a formação da rede e uma rede polimérica heterogênea é formada, consistindo de domínios altamente reticulados conectados por cadeias pouco reticuladas. De acordo com Peppas e Khare, durante a síntese de hidrogéis, a presença de solvente no meio reacional, bem como o tipo de solvente no meio, influencia diretamente nas propriedades do hidrogel. Se a quantidade de água presente durante a polimerização for maior do que a capacidade de adsorção do hidrogel no equilíbrio, ocorre a separação de fase durante a formação da rede e se forma uma rede polimérica heterogênea, consistindo de domínios altamente reticulados (microgéis) conectados por cadeias pouco reticuladas. Este fenômeno é conhecido como microssinerese. A quantidade de solvente no meio reacional é tão importante que um hidrogel sem poros pode se tornar poroso, variando apenas essa condição reacional.[16]

Os hidrogéis, quando intumescidos (Figura 1.3), podem ter aumento em cerca de 1.000 vezes ou até mais em relação à sua massa inicial. Este intumescimento é devido a um fenômeno de difusão impulsionado pela afinidade das moléculas do material com as moléculas do líquido de contato, levando à expansão das cadeias e aumentando as distâncias entre seus retículos.[17]

Figura 1.3 Representação esquemática do processo de intumescimento de um hidrogel hipotético.

Fonte: elaboração própria.

Peppas e Khare relatam que hidrogéis podem ser sintetizados pelos mesmos métodos utilizados para a preparação de materiais poliméricos em geral, e utilizando as mesmas técnicas. As reações de reticulação são feitas introduzindo-se um ou mais monômeros multifuncionais como agentes reticulantes durante o crescimento das cadeias poliméricas ou entre duas ou mais cadeias poliméricas sintetizadas anteriormente. A reação de polimerização pode ser iniciada com a utilização de radicais livres gerados por aquecimento, ionização, radiação e/ou por agentes redutores ou oxidantes.[18]

O grau de intumescimento e fenômenos de difusão em hidrogéis está diretamente relacionado à extensão de ligações entrecruzadas, o que é chamado de densidade de ligações cruzadas. Desta forma, o conhecimento de processos que permitem a determinação dessas ligações após a síntese e cura dos hidrogéis é um assunto importante.

4. Determinação da densidade de ligações cruzadas em hidrogéis

O primeiro modelo teórico-experimental para determinação da solubilidade de polímeros foi proposto por Hildebrand e Scott,[19] definindo o parâmetro de solubilidade (δ) em termos de densidade de energia coesiva da molécula, ou seja, a densidade de energia coesiva é uma medida da coesão entre as moléculas, isto é, o nível da intensidade das forças secundárias (intermoleculares). Matematicamente, o parâmetro de solubilidade do polímero é igual à raiz quadrada da razão entre calor latente de vaporização (ΔHv) a 25 °C, pelo volume molar (Vm).

δ = (ΔHv /Vm)¹/² [cal/cm³]¹/² Equação 1

O conceito de densidade de energia coesiva foi estendido por Hansen,[20] que propôs que o parâmetro de solubilidade é formado pela somatória das várias forças presentes na molécula, tendo contribuições relativas as interações por dipolo-dipolo (δp), interações por forças de dispersão (δd) e interações por ligação de hidrogênio (δh).[21]

δ² = (δp)² + (δd)² + (δh)² Equação 2

Flory[22] descreveu o parâmetro de interação, χ, entre o polímero e o solvente. O processo de dissolução do polímero ocorre em duas etapas termodinâmicas: a primeira etapa consiste no inchamento do polímero e a segunda, na mobilidade das moléculas. O inchamento do polímero é o ponto crítico de absorção de solvente, aumentando a massa e o volume específicos. O inchamento é o ponto cuja soma dos contributos de entalpia e entropia são iguais, segundo a Teoria de Flory-Huggins; o polímero não possui energia suficiente para promover alterações na conformação da molécula, não possui mobilidade em solução. A segunda etapa é o aumento do volume de solvente absorvido, aumentando o contributo entrópico do sistema, permitindo que o polímero translade rapidamente para as conformações energeticamente favoráveis em solução.

De acordo com Dantas,[23] o fenômeno de intumescimento é controlado pela variação de entropia da mistura polímero-solvente, pela variação de entropia causada pela redução no número de conformações das cadeias (consequência de seu estiramento) e pela entalpia de mistura do solvente e polímero, ou seja, o intumescimento de um polímero depende do grau de interação entre as moléculas de solvente e do polímero, o qual é relacionado com o parâmetro de interação polímero-solvente (χ).

O parâmetro de interação polímero-solvente, por ser parâmetro de energia livre, pode ser decomposto em seus componentes entrópico (χs) e entálpico (χh), como mostrado na equação abaixo:

χ = χs + χh Equação 3

Nas condições de intumescimento máximo, a contribuição de χh é mínima, e o valor do parâmetro de interação é considerado igual à contribuição entrópica; para os polímeros em estudo, é adotado o valor 0,34.[24]

Os parâmetros de solubilidade (δ) e de interação polímero-solvente (χ) são variáveis termodinâmicas de especial interesse na caracterização de sistemas poliméricos, tendo em vista que seu conhecimento permite a determinação da densidade de ligações cruzadas em redes poliméricas simples ou interpenetrantes. O método adotado para essa determinação tem como base a teoria de Flory-Rehner, a qual usa dados de intumescimento em solventes.

A equação descrita abaixo relaciona o intumescimento com a densidade de ligações cruzadas, considerando que estas se movem simultaneamente e com a mesma velocidade durante o intumescimento da amostra.

υ = −[ln (1 − Vr) + Vr + χVr²]/ρV1 (Vr¹/³ − Vr/2) Equação 4

Nesta equação, υ é a densidade de ligações cruzadas, que corresponde ao número de cadeias efetivo por unidade de volume e é igual a ρ/Mc, sendo ρ a densidade do polímero e Mc a massa molar média entre pontos de entrecruzamento, Vr é o volume reduzido (volume da amostra seca/volume da amostra intumescida), χ o parâmetro de interação polímero-solvente e V1 o volume molar do solvente puro.[25]

Existem dois processos que levam à formação da rede polimérica: o entrecruzamento ou reticulação (crosslinking) e a polimerização de grupos terminais (endlinking). De acordo com Stepto,[26] em uma reação de polimerização, o número de grupos reativos de uma macromolécula cresce com o aumento do número de ramificações, levando à formação de redes complexas. A ramificação da estrutura pode ser precisamente controlada, e o crescimento da rede é limitado apenas pelo volume do meio reacional.[27] A formação da rede através da polimerização de grupos terminais se dá quando grupos reativos estão no final da cadeia ou subcadeia (Figura 1.4).

Figura 1.4 Formação de uma rede polimérica através da polimerização de grupos terminais.

Fonte: elaboração própria.

A formação da rede polimérica através da ramificação e eventual ligação da cadeia polimérica ramificada em outra recebe o nome de entrecruzamento ou reticulação (Figura 1.5).

Figura 1.5 Formação de uma rede polimérica através da reticulação das cadeias.

Fonte: elaboração própria.

Durante a síntese de hidrogéis, quando ocorre o aumento repentino de viscosidade no meio reacional e o sistema apresenta característica gelatinosa, este ponto é denominado ponto de gel. Flory e Polanowski, Jeszka e Matyjaszewski[28] definiram, quantitativamente, em termos de conversão química, o ponto de gel como o ponto na reação de polimerização em que a continuidade molecular através do volume reagente ocorre com probabilidade 1. Normalmente, o crescimento da rede polimérica vai além do ponto de gel.[29]

5. Hidrogéis formados por ligações cruzadas quimicamente e ligadas fisicamente

São muitas as variáveis que governam as reações de sínteses dos hidrogéis. Essas variáveis são as mesmas observadas para as reações químicas em geral. Desta forma, o processo de síntese dos hidrogéis depende, entre outras variáveis, da estequiometria de reação entre cadeias poliméricas e agentes de entrecruzamento, o que afeta o grau de entrecruzamento e consequentemente tem grande influência sobre seu comportamento de intumescimento. Após ser intumescido até o equilíbrio e posteriormente seco, o mecanismo, a cinética de intumescimento e até mesmo a estrutura do hidrogel podem mudar. Uma explicação para esse fenômeno é feita baseando-se na separação das cadeias que se encontravam emaranhadas antes do processo de intumescimento. A presença ou não de cargas também é extremamente importante para conhecimento dos fenômenos de equilíbrio e intumescimento máximo dos hidrogéis.[30] Sendo assim, é importante uma explanação sobre estrutura dos hidrogéis e a relação entre a presença ou não de cargas e as propriedades desses materiais.

5.1 Hidrogéis neutros

Hidrogéis neutros são hidrogéis que não apresentam grupos ionizáveis na rede polimérica, e devido a isso não sofrem influências de variações de pH e força iônica do meio. Normalmente esses hidrogéis são sensíveis às variações na temperatura do meio reacional. O aumento na temperatura aumenta a mobilidade das cadeias poliméricas e consequentemente altera sua capacidade de intumescimento. Esses hidrogéis têm grande utilidade em sistemas em que não se deseja variação nas propriedades do hidrogel frente à variação na força iônica do meio, bem como no pH.[31]

5.2 Hidrogéis iônicos

Hidrogéis iônicos são obtidos através de reações entre reagentes que, após as reações de polimerização e/ou entrecruzamento, apresentam cargas positivas e negativas ao longo da rede polimérica. Estes hidrogéis podem ser classificados em aniônicos, catiônicos e anfóteros, de acordo com os grupos presentes em suas cadeias. Hidrogéis aniônicos possuem grupos funcionais que têm carga negativa, como ácido carboxílico e ácido sulfônico, e a ionização deles ocorre quando o pH da solução se encontra acima do pKa dos grupos ionizáveis presentes na rede polimérica. Hidrogéis catiônicos possuem grupos funcionais, como aminas, que se ionizam em meios com pH menor que o pKb das espécies ionizáveis. No caso de hidrogéis anfóteros, que são hidrogéis que possuem grupos básicos e ácidos em sua estrutura, haverá grupos ionizados em pH muito baixo e muito alto; no ponto de pH isoelétrico, a capacidade absortiva do hidrogel é moderada.[32]

Senna, Novack e Botaro[33] mostraram a possibilidade de construção de um hidrogel anfótero derivado do acetato de celulose entrecruzado com EDTAD (dianidrido do ácido etilenodiaminotetracético). O hidrogel denominado HEDTA pode ser considerado um hidrogel anfótero pelo fato de as ligações cruzadas serem constituídas por moléculas de EDTA. De acordo com Vogel,[34] o EDTA comporta-se como ácido dicarboxílico com dois grupos de ácido carboxílico e dois grupos amina protonados, no qual o primeiro se ioniza aproximadamente em pH 6,3 (pKa = 6,2) e o segundo grupo amina se ioniza aproximadamente em pH 11,5 (pKa = 10,3). Os autores demonstraram que quando os grupos de ácido carboxílico são neutralizados no HEDTA, consequentemente serão formados grupos carboxilatos que darão origem a cargas negativas em meio aquoso com pH aproximadamente neutro; concomitantemente, os grupos amina protonados darão origem a cargas positivas. Portanto, o HEDTA apresenta cargas positivas e negativas ao longo da rede polimérica quando está em meio aquoso com pH neutro. Aplicações como absorção e liberação controlada de macronutrientes em solo foram uma das principais aplicações dos hidrogéis anfóteros e serão posteriormente descritas com mais detalhes nos itens posteriores deste capítulo.[35]

Hidrogéis iônicos apresentam vantagens quando comparados com hidrogéis neutros, pois, como são sensíveis ao pH e à força iônica da solução, apresentam uma grande variedade de aplicações, por exemplo, em materiais biomédicos.[36]

O grau de absorção de água por esses hidrogéis sofre forte influência de fatores como a força iônica e o pH da solução. Isso se deve à protonação ou desprotonação de grupos ácidos ou básicos presentes na rede polimérica, que acabam por promover o afastamento das cadeias poliméricas e aumentar a capacidade desses materiais em absorver água. Hidrogéis iônicos absorvem, normalmente, maiores quantidades de água do que hidrogéis neutros. O aumento no conteúdo iônico de uma rede polimérica torna a rede mais hidrofílica e consequentemente leva a uma maior velocidade de adsorção e à maior capacidade de intumescimento.[37]

5.3 Hidrogéis físicos

Os hidrogéis são considerados géis reversíveis ou géis físicos quando a rede é mantida unida por entrelaçamento molecular e/ou forças de interação secundárias, que podem ser de diferentes origens, como dipolo-dipolo, London ou ligações de hidrogênio, principalmente.[38] A formação de ligações intermoleculares é particularmente interessante na formação de hidrogéis físicos, visto que estas interações são mais fortes que as demais ligações de segunda ordem. Sendo assim, quando presentes em grande extensão, conferem coesividade aos hidrogéis, o que os leva à insolubilidade e infusibilidade típicas de termorrígidos formados por ligações covalentes entre as cadeias. Siqueira et al.[39] mostraram a possibilidade da construção de hidrogéis físicos a partir da combinação de alginato e íons Ca+2.

5.4 Os hidrogéis de redes poliméricas interpenetrantes (IPN)

Os chamados hidrogéis de redes poliméricas interpenetrantes, ou de forma abreviada IPNs, ganharam muita atenção nas últimas décadas, o que se deve principalmente às suas aplicações biomédicas. São muitos também os relatos recentes que têm como principais aplicações a liberação controlada de medicamentos e processos de separação.

Uma rede polimérica interpenetrante (IPN) é definida como a mistura de dois ou mais polímeros em uma rede com pelo menos um dos sistemas sintetizados na presença de outro.[40] Isso resulta na formação de uma rede fisicamente reticulada quando as cadeias poliméricas do segundo sistema são enroscadas