Síntese e Caracterização de Novo Polímero Nanogel Termossensível OEGDA-MAA

Resumo

Polímeros sensíveis a estímulos são cada vez mais valiosos em aplicações biomédicas e de materiais avançados. Aqui, relatamos um polímero reticulado, poli(oligo(etileno glicol) diacrilato-ácido metacrílico) (P(OEGDA-MAA)), preparado por polimerização por precipitação. O material exibe temperatura de transição de fase de volume (VPTT) do tipo temperatura crítica de solução inferior (LCST) de 33 °C em meio aquoso e VPTT do tipo temperatura crítica de solução superior (UCST) de 43 °C em etanol, ambos a concentração 1 mg mL⁻¹. As transições são altamente ajustáveis ajustando concentração e pH, oferecendo plataforma versátil para sistemas responsivos biomédicos e outros.

Introdução

Polímeros que respondem a gatilhos externos como temperatura, pH ou força iônica são fundamentais em atuadores, liberação de fármacos e engenharia de tecidos. Entre eles, polímeros termossensíveis com VPTT bem definido — comumente chamados polímeros LCST — atraíram intenso interesse de pesquisa. O exemplo prototípico, poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAM), mostra VPTT próximo a 32 °C, tornando-o referência para aplicações biomédicas. No entanto, PNIPAM sofre de histerese, forte adsorção de proteínas e produtos de hidrólise que limitam seu uso clínico.

Polímeros baseados em polietileno glicol (PEG) oferecem alternativa não-tóxica, não-imunogênica. No entanto, PEG em si é apenas termossensível sob alta temperatura ou pressão, levando ao desenho de macromômeros OEG com grupos funcionais em uma ou ambas extremidades. Esses macromômeros são polimerizados via rotas aniônicas, catiônicas, ATRP, RAFT ou NMP, permitindo controle fino sobre peso molecular, arquitetura e razão de comômero. Ajustar estes parâmetros sintoniza LCST/UCST de polímeros OEG, como documentado em revisões recentes.

A maioria dos polímeros responsivos baseados em OEG são do tipo pente, com backbone metacrilato e cadeias OEG pendentes. Em contraste, o polímero reportado aqui, P(OEGDA-MAA), é uma rede reticulada formada por copolimerização de diacrilato OEG (OEGDA) com ácido metacrílico (MAA) via polimerização por precipitação em água. Esta arquitetura rende LCST distinto em água e UCST em etanol, oferecendo nova classe de materiais responsivos a estímulos com relevância biomédica potencial.

Métodos

Materiais

OEGDA (Mn = 575) foi obtido da Aladdin (Xangai, China). MAA, purificado por tratamento com Al₂O₃ básico, foi fornecido pela Tianjin Guangcheng Chemicals. Persulfato de amônio (APS) foi comprado da Tianjin Hedong Hongyan Chemicals. Membranas de diálise (PMCO 3500) foram da Union Carbide Corporation.

Preparação de P(OEGDA-MAA)

Em balão 1 L, 0,8166 g OEGDA (1,43 mmol) e 0,1834 g MAA (2,11 mmol) foram dissolvidos em 500 mL água desionizada. Após purga com nitrogênio, APS 10% em peso (300 µL) foi adicionado. A reação foi selada e aquecida a 70 °C por 4 h. Turbidez indicou precipitação do polímero. Ao resfriar, a emulsão turva clareou. Solução 2 M NaCl (pH 1,0) foi adicionada para induzir precipitação, seguida por centrifugação (10.000 rpm), redispersão em água e diálise por 72 h para remover sal.

Caracterização

RMN ¹H (400 MHz, Bruker) em DMSO-d₆ confirmou composição. Teor de OEGDA também quantificado por titulação potenciométrica. VPTT em dispersões aquosas (pH 1,0, 150 mM NaCl) e etanólicas foi determinado monitorando transmitância a 565 nm enquanto resfriava de 70 °C a 10 °C. Espalhamento dinâmico de luz (DLS, Malvern Nano-ZS) mediu tamanho e distribuição de partícula.

Resultados e Discussão

Análise de Composição

Integração RMN ¹H dos picos carboxílico (12,35 ppm) e éster (4,11 ppm) rendeu teor OEGDA de 40,9 mol%, correspondendo à razão de alimentação e confirmando copolimerização completa (Eq. 1). Titulação potenciométrica deu 38,8 mol% OEGDA, corroborando resultado RMN.

$$\text{[OEGDA]}(\%) = \frac{S_b/4}{S_a + S_b/4}$$

Morfologia

Imagens SEM (Fig. 2) revelaram partículas nanogel ~40 nm em estado seco de dispersões aquosas. Dispersão de baixo VPTT (<33 °C) apareceu transparente, confirmando estado totalmente inchado. DLS mediu raio hidrodinâmico ~12 nm a 70 °C, indicando partículas altamente inchadas e isoladas que provavelmente agregam durante secagem.

Em etanol, mesmo polímero formou agregados maiores (Fig. 2b-c) devido a interpenetração de cadeias hidrofílicas acima do VPTT tipo UCST. Em maiores concentrações de etanol, filmes de hidrogel contínuos emergiram.

VPTT Tipo LCST em Água

A 1 mg mL⁻¹, VPTT foi 33 °C a pH 1,0, deslocando para 42 °C a pH 3 e desaparecendo inteiramente a pH 5. A dependência de pH surge de protonação de grupos carboxila abaixo de pKa 4,8, permitindo ligação de hidrogênio com oxigênios éter. Em pH alto, ionização induz repulsão eletrostática, mantendo estado inchado através da faixa de temperatura.

DLS (Fig. 4) mostrou aumento gradual de tamanho de 15 nm (10 °C) para 20 nm (25 °C), seguido por salto abrupto para ~600 nm acima do VPTT, indicativo de agregação induzida por desidratação.

VPTT Tipo UCST em Etanol

Em etanol, polímero permaneceu transparente a 70 °C, mas transmitância caiu conforme temperatura diminuiu. A 1 mg mL⁻¹, VPTT foi 43 °C, com transição de dois passos: desidratação inicial de cadeia (aumento de tamanho para ~7 nm) e agregação subsequente (tamanho alcançando 150 nm a 40 °C, 270 nm a 25 °C). O mecanismo espelha comportamento LCST mas em direção de temperatura reversa (Fig. 6).

Mecanismo de Transição de Fase

Ambas transições LCST e UCST envolvem processo de dois passos: (1) perda de afinidade por solvente levando a colapso de cadeia, e (2) agregação de nanogels colapsados. A rede reticulada OEGDA-MAA exibe dependência de concentração pronunciada — VPTT diminui de 33 °C (1 mg mL⁻¹) para 27 °C (5 mg mL⁻¹) — devido a probabilidade aumentada de contato interpartícula.

Conclusões

Sintetizamos polímero OEG-MAA reticulado que exibe VPTT tipo LCST em água (33 °C a 1 mg mL⁻¹, pH 1,0) e VPTT tipo UCST em etanol (43 °C). As transições são ajustáveis via concentração e pH, e o tamanho de partícula evolui previsivelmente através das transições. Estes atributos posicionam P(OEGDA-MAA) como candidato promissor para aplicações biomédicas termossensíveis.

Abreviações

APS:

Persulfato de amônio

ATRP:

Polimerização radicalar por transferência de átomo

DLS:

Espalhamento dinâmico de luz

EG:

Etileno glicol

LCST:

Temperatura crítica de solução inferior

MAA:

Ácido metacrílico

OEG:

Oligo(etileno glicol)

OEGDA:

Diacrilato de oligo(etileno glicol)

P(OEGDA-MAA):

Poli(oligo(etileno glicol) diacrilato-ácido metacrílico)

PEG:

Poli(etileno glicol)

PNIPAM:

Poli(N-isopropilacrilamida)

POEGMA:

Poli[(oligo(etileno glicol) éter metílico metacrilato]

RAFT:

Polimerização por transferência de cadeia adição-fragmentação reversível

R_h:

Raio hidrodinâmico de partícula

UCST:

Temperatura crítica de solução superior

VPTT:

Temperatura de transição de fase de volume