Artigo - Polímeros Termorresistentes para Aplicações Biomédicas Traduzido

Polímeros Termorresistentes para Aplicações Biomédicas

Resumo: Os polímeros termo-resistivos são uma classe de materiais “inteligentes” que têm a capacidade de responder a uma mudança de temperatura; uma propriedade que os torna materiais úteis em uma ampla gama de aplicações e, consequentemente, atrai muito interesse científico. Esta revisão enfoca principalmente os estudos publicados nos últimos 10 anos sobre a síntese e uso de polímeros termo-resistentes para aplicações biomédicas, incluindo liberação de fármacos, engenharia de tecidos e entrega de genes. Um resumo das principais aplicações é dado seguindo os diferentes estudos sobre polímeros termo resistentes que são categorizados com base em sua estrutura tridimensional; hidrogéis, redes interpenetrantes, micelas, membranas reticuladas, polimersomos, filmes e partículas.

Palavras-chave: biopolímero; termorresistente; estímulos responsivos; materiais inteligentes; entrega de genes; entrega de drogas; engenharia de tecidos; géis; redes poliméricas; hidrogéis; micelas; nanopartículas; polimersomos

1. Introdução

Materiais “inteligentes”, isto é, materiais que têm a capacidade de responder a estímulos externos, representam uma das classes de materiais mais empolgantes e emergentes [1-9]. Um dos principais grupos de materiais "inteligentes" é baseado em polímeros, porque eles são mais baratos e mais facilmente adaptados do que metais ou cerâmicas. Esses materiais poliméricos “inteligentes” podem responder a estímulos como pH, temperatura, força iônica, campo elétrico ou magnético, luz e / ou estímulos químicos e biológicos e, consequentemente, têm uma ampla gama de aplicações que incluem sensores, liberação de drogas, entrega de genes e engenharia de tecidos [1-10].

Esta revisão enfoca os polímeros que respondem à temperatura, um estímulo externo fácil de aplicar. Especificamente, concentra-se em polímeros termo-resistivos e suas principais aplicações relacionadas biológicas; entrega de drogas, entrega de genes e engenharia de tecidos. No entanto, antes que as diferentes aplicações e diferentes polímeros termorresponsáveis sejam discutidos, é importante passar por algumas terminologias básicas.

Existem dois tipos principais de polímeros termorresistentes; os primeiros apresentam uma temperatura de solução crítica mais baixa (LCST) enquanto que o segundo apresenta uma temperatura de solução crítica superior (UCST). LCST e UCST são os respectivos pontos críticos de temperatura abaixo e acima dos quais o polímero e solvente são completamente miscíveis como mostrado na Figura 1. Assim, por exemplo, uma solução de polímero abaixo da LCST é uma solução homogênea enquanto uma solução de polímero acima da LCST aparece nublado (levando a LCST também sendo referido como ponto de nuvem). Isso acontece porque é energeticamente mais favorável. Em particular, considerando a energia livre do sistema usando a equação de Gibbs ΔG = ΔH - TΔS (G: energia livre de Gibbs, H: entalpia e S: entropia) a razão pela qual a separação de fases é mais favorável quando o aumento da temperatura se deve principalmente à entropia do sistema. Especificamente, a principal força motriz é a entropia da água, que quando o polímero não está em solução, a água é menos ordenada e tem uma maior entropia. Isso também é chamado de “efeito hidrofóbico” [11-13]. Vale ressaltar que LCST é um efeito entropicamente dirigido, enquanto UCST é um efeito dirigido entalpicamente [14].

Figura 1. Temperatura vs. fração de volume do polímero, ꬾ. Ilustração esquemática de diagramas de fase para solução de polímero (a) comportamento da temperatura crítica inferior da solução (LCST) e (b) comportamento da temperatura crítica superior da solução (UCST).

[pic 1]

A maioria dos estudos discutidos nesta revisão utiliza polímeros que apresentam uma LCST. O mais comum deles é poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm) [1-4]. O PNIPAAm tem uma temperatura de solução crítica mais baixa, LCST de cerca de 32 ° C, uma temperatura muito útil para aplicações biomédicas, uma vez que está próxima da temperatura do corpo (37 ° C). O ajuste da LCST do PNIPAAm foi conseguido copolimerizando com monômeros hidrofílicos ou hidrofóbicos, tornando a hidrofilicidade total do polímero maior ou menor, respectivamente [3,5,6,15]. Outros polímeros com propriedades termorresistivas incluem poli (N, N-dietilacrilamida) (PDEAAm) com uma LCST na faixa de 25 a 32 ° C, poli (N-vinilcaprolactama) (PVCL) [7,8,16] com uma LCST entre 25 e 35 ° C, metacrilato de poli [2- (dimetilamino) etil] (PDMAEMA) [17-22] com uma LCST de aproximadamente 50 ° C [21] e poli (etileno glicol) (PEG), também chamado de poli (etileno) óxido de hidrogênio) (PEO) cuja LCST está em torno de 85 ° C [23-26]. Deve-se notar que a LCST é afetada pelo tamanho dos grupos laterais. Especificamente, os polímeros de metacrilato de PEG (PEGMA), tendo uma cadeia de PEG lateral de 2-10 unidades de óxido de etileno (EO) <10 apresentam uma temperatura de solução crítica (LCST) [27] que varia dependendo do comprimento da cadeia lateral EO [12]. No entanto, é importante notar que a LCST de um polímero é dependente do peso molecular e arquitetura [19,28-31]

2. Aplicações

2.1. Entrega de Moléculas Terapêuticas

2.1.1. Entrega de drogas

A entrega de drogas, como o nome sugere, é o método ou processo de administração de um composto farmacêutico (droga) para conseguir um efeito terapêutico em humanos ou animais. Os principais fatores são entregar o medicamento na área certa, no momento certo e na concentração correta. No entanto, existem muitos obstáculos para se conseguir uma entrega bem-sucedida de medicamentos. Para citar alguns, esses obstáculos incluem os medicamentos: baixa solubilidade, degradação ambiental ou enzimática, rápidas taxas de depuração do corpo, toxicidade não específica e incapacidade de atravessar as barreiras biológicas [32,33]. Para superar esses obstáculos, estão sendo usados portadores de drogas, a maioria dos quais são baseados em polímeros [32-34].

Figura 2. Concentração de droga liberada ao longo do tempo. As linhas que indicam os níveis efetivos tóxico e mínimo da droga são coloridas de vermelho e verde, respectivamente. A liberação desejável controlada pelo fármaco é colorida de azul enquanto, mostrada em cinza, dois casos de liberação problemática de droga indicam que a liberação do fármaco termina cedo demais ou, em algumas ocasiões, está abaixo do nível mínimo efetivo ou superior ao nível tóxico. Note-se que é desejável, após um pequeno período inicial, que a concentração liberada do fármaco seja constante e entre o nível tóxico e o mínimo efetivo.