Propriedades físico-químicas e mecânicas de membranas porosas de carboximetilquitosana e hidrogéis de quitosana para aplicação em engenharia de tecidos

Abstract

The aim of this study was to produce and characterize porous membranes of carboxymethylchitosan and chitosan-based hydrogel with physicochemical and mechanical properties appropriate for applications in tissue engineering. For this, chitosans with different degrees of acetylation (4.0% < ̅̅̅̅ < 40%) and high viscosity average molecular weight ( ̅̅̅̅ > 750,000 g mol -1 ) were produced by application of consecutive processes of ultrasound-assisted deacetylation (USAD) of the beta-chitin extracted from squid pens (Doryteuthis spp.). The carboxymethylation of extensively deacetylated chitosan (Qs-3; ̅̅̅̅ = 4%) was carried out by reaction with monochloroacetic acid in isopropanol/aqueous NaOH, producing CMQs-0 sample ( ̅̅̅̅ ≈ 0.98; ̅̅̅̅ ≈ 190,000 g mol -1 ).The ultrasonic irradiation was employed to depolymerize the CMQs-0 samples by irradiation for 1 h and 3 h, resulting in CMQs-1 samples ( ̅̅̅̅ ≈ 94,000 g mol -1 ) and CMQs-3 ( ̅̅̅̅ ≈ 43,000 g mol -1 ), respectively. For the production of crosslinked membranes, genipin was added at different concentrations (1.0 x 10 -4 mol L -1 , 3.0 x 10 -4 mol L -1 and 5.0 x 10 -4 mol L -1 ) in the aqueous solutions of CMQs, which were poured into Petri dishes and the crosslinking reaction proceeded for 24 h. Then, the crosslinked membranes (M-CMQs) were lyophilized, neutralized, washed, and lyophilized again resulting in nine samples which were characterized by crosslinking degree ( ̅̅̅̅̅̅ ), swelling ratio ( ̅̅̅̅ ), morphology, mechanical properties and the susceptibility to enzymatic degradation by lysozyme. The crosslinking degree ( ̅̅̅̅̅̅ ) increased with increasing concentration of genipin used in the reaction, varying from ̅̅̅̅̅̅ ≈ 3.3% (M-CMQs-01) to ̅̅̅̅̅̅ ≈ 17.8% (M-CMQs-35). The SEM analysis showed that the crosslinked membranes M-CMQs are porous structures that have a higher apparent pores density with increasing values of ̅̅̅̅ and ̅̅̅̅̅̅ . However, the membranes prepared from high molecular weight CMQs ( ̅̅̅̅ ˃ 94,000 g mol -1 ) and low crosslinked ( ̅̅̅̅̅̅ ˂ 10%)showed superior mechanical properties in terms of ultimate tensile strength (˃ 170 kPa) and maximum elongation at break (˃ 40%). However, the more susceptible membrane to enzymatic degradation was prepared from low molecular weight CMQs ( ̅̅̅̅ ≈ 43,000 g mol -1 ) and low cross-linking degrees ( ̅̅̅̅̅̅ < 11%). Stable chitosan hydrogels without any external crosslinking agent was successfully achieved by inducing the gelation of a viscous chitosan solution with aqueous NaOH or gaseous NH 3 . The hydrogels produced from high molecular weight ( ̅̅̅̅̅ ≈ 640,000 g mol -1 ) and extensively deacetylated chitosan ( ̅̅̅̅ ≈ 2.8%) at polymer concentrations above ≈ 2.0% exhibited improved mechanical properties due to the increase of the chain entanglements and intermolecular junctions. The results also show that the physicochemical and mechanical properties of chitosan hydrogels can be controlled by varying their polymer concentration and by controlling the gelation kinetics, i.e. by using different gelation routes. The b...

Efeitos da reticulação com genipina em membranas de quitosana/colágeno para potencial uso como biomaterial.

“…Essas reações visam principalmente modificar determinadas propriedades do biopolímero tais como estabilidade química e térmica, rigidez estrutural, permeabilidade, cor, eficiência em quelação, entre outras (GONSALVES et al, 2011;SAMPAIO et al, 2012;COSTA, 2015;FIAMINGO, 2016).…”

“…As reticulações também sofrem influência do tipo e da concentração do agente de entrecruzamento envolvido no processo. Com a elevação do grau de reticulação, reduz-se a porosidade do material obtido, a permeabilidade à água e a difusão de possíveis substâncias aprisionadas nas redes poliméricas formadas (GONSALVES et al, 2011;SAMPAIO et al, 2012;COSTA, 2015;FIAMINGO, 2016).…”

“…A reticulação com genipina é influenciada pelo pH do meio reacional, sendo que, de modo geral, em pHs próximos da neutralidade, a genipina reage com materiais que contém grupos amina, como a quitosana e alguns outros polímeros, acontecendo duas reações principais: na primeira (Figura 3a), acontece um ataque nucleofílico, substituindo o grupo éster da genipina por uma ligação do tipo amida secundária; na segunda (Figura 3b), acontece novamente um ataque nucleofílico, desta vez no átomo de carbono C3, havendo a formação de um grupo aldeído intermediário, seguido da abertura do anel diidropirano, resultando em um novo ataque ao grupo aldeído pela amina formada no primeiro passo da reação (BUTLER, 2003;FIAMINGO, 2016).…”

“…Dessa forma, é possível controlar a extensão da reticulação ajustando a concentração do agente reticulante e do tempo reacional, assim como o tipo de reticulação para formação de segmentos curtos ou longos, a partir do controle do pH das soluções poliméricas durante a reticulação (FIAMINGO, 2016). Em outras palavras, a reticulação da quitosana com genipina (Figura 4) fortalece a estrutura do biomaterial por meio da formação de ligações covalentes intermoleculares permanentes, adicionando ou melhorando propriedades que são de interesse para a área médica, como a estabilidade térmica, taxa de degradação, propriedades mecânicas, hidrofilicidade e porosidade, permitindo, por exemplo, a liberação controlada de fármacos (BATISTA, 2015).…”

“…Através da microscopia óptica pode-se observar que as membranas MQ1, MQ2 e MQ3, apresentaram uma textura homogênea, lisa e com transparência adequada, conforme exposto por Frango (2014) e Macêdo (et al, 2014). MQC1, MQC2 e MQC3, por sua vez, apresentaram textura semelhante, porém, houve a formação de pequenos aglomerados de colágeno ao longo da membrana, associados a baixa solubilização do colágeno no meio, tornando as membranas heterogêneas e rugosa.…”