Dissertação
Hidrogéis baseados em goma arábica e guar: síntese e aplicação na remoção de corantes e estudo de liberação controlada de fármaco.
Registro en:
REIS, Adrielle Cristina dos. Hidrogéis baseados em goma arábica e guar: síntese e aplicação na remoção de corante e estudo de liberação controlada de fármaco. 2021. Dissertação (Mestrado em Química) - Universidade Estadual de Ponta Grossa. Ponta Grossa. 2021.
Autor
Reis, Adrielle Cristina dos
Institución
Resumen
Hydrogels (HG) are three-dimensional polymeric networks capable of absorbing a large amount
of water or other fluids. They can be synthesized from different polymers, synthetic or natural,
such as gum arabic (GA) and guar gum (GG). Hydrogels have been studied for applications in
areas such as pharmaceutical and environmental. Based on this, this work has two main objectives,
to synthesize hybrid hydrogels based on gum arabic and pinion shell bran and apply them
in the methylene blue dye (AM) removal process and to study the pH responsive behavior and
the process of controlled release of hydrocortisone (HCS) from guar gum-based hydrogels in
gastric fluid (FGS) and simulated in-testinal fluid (FIS). Initially, hybrid hydrogels were synthesized
by 32 factorial design, using different amounts of GAm (250.0, 400.0 and 550.0 mg),
ie GA modified with the crosslinking agent glycidyl methacrylate (GMA), and of pinion shell
bran (0.0, 50.0 and 100.0 mg), together with constant amounts of N,N-dimethylacrylamide
(DMAAm) and sodium acrylate (NaAc), obtaining 9 different formulations. Once obtained and
dehydrated, the HGs’ swelling degree (GI) in aqueous solution was studied, measuring the water
mass, in grams, absorbed per dried hydrogel gram, at specific time intervals over 168 hours.
In this way, it was possible to verify that some formulations of the hybrid hydrogel showed a
superabsorbent behavior (GI values above 100.0 g g-1), highlighting the HG called G2P2, composed
with 400.0 mg of GAm and 50.0 mg of pinion shell bran (GI = 256.14 g g-1). Regarding
the swelling mechanism, it was found that all formulations studied presented values for the
diffusion exponent (n) consistent with anomalous transport. Statistical analyzes confirmed that
there is a synergistic effect between GAm and pinion shell bran concentrations that affect the
swelling properties of hybrid hydrogels. For the methylene blue removal tests (20.0 mg L-1), it
was verified that the G2P2 and G2P3 hydrogels, containing 50.0 and 100.0 mg of the pinion
shell bark, if previously swollen in water, showed greater dye removal capacity, reaching values
close to 90%. Furthermore, hydrogels containing 100.0 mg of pinion shell bran demonstrated
greater capacity for reuse as they maintained removal rates above 90% even after three cycles
of use, suggesting a possible efficiency in removing methylene blue dye in concentrations above
20.0 mg L-1. For the controlled drug release studies, hydrogels produced by 22 factorial design
from GG modified with GMA (7.32 mg L-1) and NaAc (1.0 and 2.0 g) and DMAAm (1.0 and
2.0 mL). The loading of hydrogels with HCS was carried out by swelling in an aqueous solution
of the drug at a concentration of 40.0 g L-1, where the HG called G2A2D2, containing in its
formulation the highest concentrations of NaAc and DMAAm, obtained the highest absorption
(2585.6 g of HCS per gram of dried hydrogel). This result can be related to its higher GI value
(22.2 ± 0.3 g g-1), in relation to the other GHs studied and its high porosity. This behavior was
attributed to the ionized carboxyl groups of NaAc in the pH range close to 7.0, which generate
electrostatic repulsion forces between the polymer chains, facilitating the swelling and absorption
of HCS. For this same reason, HG G2A2D2 also had the highest drug release rate (1986.5
g g-1 or 77%) in release assays conducted in gastric (pH 1.2) and intestinal (pH 6,8) fluid
simulated, revealing a pH responsive behavior, where greater control of the drug release process
was observed in the intestinal fluid. Hidrogéis (HG) são redes poliméricas tridimensionais capazes de absorver uma grande quantidade
de água ou outros fluídos. Podem ser sintetizados a partir de diversos polímeros, sintéticos
ou naturais como a goma arábica (GA) e a goma guar (GG). Os hidrogéis vêm sendo estudados
visando aplicações em áreas como a farmácia e o meio ambiente. Baseado nisto, este trabalho
teve dois grandes objetivos, sintetizar hidrogéis híbridos a base de goma arábica e farelo da
casca de pinhão, aplicando-os no processo de remoção do corante azul de metileno (AM). O
outro objetivo foi estudar o comportamento pH responsivo e o processo de liberação controlada
da hidrocortisona (HCS) a partir de hidrogéis a base de goma guar em fluído gástrico (FGS) e
intestinal simulado (FIS). Inicialmente, hidrogéis híbridos foram sintetizados por planejamento
fatorial 32, utilizando diferentes massas (250,0; 400,0 e 550,0 mg) de GA modificada (GAm)
com o agente reticulante metacrilato de glicidila (GMA), e de farelo da casca de pinhão (0,0;
50,0 e 100,0 mg), juntamente com os agentes espaçadores N,N-dimetilacrilamida (DMAAm) e
acrilato de sódio (NaAc), em concentrações constantes, obtendo-se assim 9 formulações. Uma
vez obtidos e desidratados, estudou-se o grau de intumescimento (GI) destes HGs em solução
aquosa, aferindo-se a massa de água absorvida por grama de hidrogel seco, em intervalos de
tempo específicos ao longo de 168 horas. Desta forma, foi possível verificar que algumas formulações
do hidrogel híbrido apresentaram um comportamento superabsorvente, ou seja, atingiram
valores de GI superiores a 100,0 g g-1, destacando-se o HG denominado G2P2, composto
por 400,0 mg de GAm e 50,0 mg de farelo de casca de pinhão (GI = 256,14 g g-1). Com relação
ao mecanismo de intumescimento, verificou-se que todas as formulações estudadas apresentaram
valores para o expoente de difusão (n) coerentes com transporte anômalo. Análises estatísticas
confirmaram que existe um efeito sinérgico entre as concentrações de GAm e de farelo da
casca de pinhão que afetam as propriedades de intumescimento dos hidrogéis híbridos. Para os
ensaios de remoção do azul de metileno (20,0 mg L-1), verificou-se que os hidrogéis G2P2 e
G2P3, contendo 50,0 e 100,0 mg do farelo da casca de pinhão, se previamente intumescidos em
água, apresentaram maior capacidade de remoção do corante chegando a valores próximos a
90%. Além disso hidrogéis contendo 100,0 mg de farelo da casca de pinhão demonstraram
maior capacidade de serem reutilizados já que mantiveram taxas de remoção acima de 90%
mesmo após três ciclos de uso, o que sugere uma possível eficiência na remoção do azul de
metileno em concentrações superiores a 20,0 mg L-1. Já para os estudos de liberação controlada
de fármaco, foram utilizados hidrogéis produzidos por planejamento fatorial 22 a partir de GG
modificada com GMA (7,32 mg L-1) e dos agentes espaçadores NaAc (1,0 e 2,0 g) e DMAAm
(1,0 e 2,0 mL). O carregamento dos hidrogéis com HCS foi realizado mediante intumescimento
em solução aquosa do fármaco na concentração de 40,0 g L-1, onde o HG denominado
G2A2D2, contendo em sua formulação as maiores concentrações de NaAc e DMAAm, obteve
a maior absorção (2585,6 g de HCS por grama de hidrogel seco). Este resultado pode ser
relacionado ao seu maior valor de GI (22,2 ± 0,3 g g-1), em relação aos demais HGs estudados
e a sua porosidade elevada. Este comportamento foi atribuído aos grupamentos carboxila ionizados
do NaAc na faixa de pH próxima 7,0, que geram forças de repulsão eletrostática entre as
cadeias poliméricas, facilitando o intumescimento e a absorção da HCS. Por este mesmo motivo,
o HG G2A2D2 também apresentou a maior taxa de liberação do fármaco (1986,5 g g-1
ou 77%) nos ensaios de liberação conduzidos em fluído gástrico (pH 1,2) e intestinal (pH 6,8)
simulado, revelando um comportamento pH responsivo, onde um maior controle do processo
de liberação do fármaco foi observado no fluído intestinal.