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Os sistemas biológicos utilizam macromoléculas (proteínas, polissacarídeos e ácidos nucleicos), estáveis em grandes gamas de variáveis externas, como materiais estruturais ou componentes regulatórios das funções celulares, que sofrem grandes alterações conformacionais quando uma das variáveis é alterada num dado valor crítico. Estes sistemas conduziram ao desenvolvimento de estratégias de mimetização dos seus comportamentos, para os mais variados fins, utilizando polímeros naturais e sintéticos sensíveis a estímulos. [75], [76]

Os polímeros sensíveis a estímulos ambientais, ou polímeros responsivos, definem-se pela demonstração de uma grande alteração das suas propriedades como resposta a variações muito pequenas no ambiente que os rodeia. Estas variações ocorrem a nível macroscópico, resultando em alterações da forma, da solubilidade, das características de superfície, entre outras, as quais são revertidas por remoção do estímulo. Para além de reconhecerem o estímulo, estes são capazes de ajustar diretamente a resposta de acordo com a magnitude do mesmo. O estímulo ambiental em questão depende do polímero, podendo consistir numa mudança na temperatura, no pH, na força iónica, no campo magnético ou elétrico, a presença de químicos metabólicos, a adição de um polímero com carga oposta, entre outros. [56], [75]–[82]

Os polímeros responsivos podem ser classificados de acordo com a sua forma física (dendrímeros, micelas, vesículas ou superfícies inteligentes) ou de acordo com as características do sistema de libertação (sistema aberto ou fechado). Os dendrímeros são macromoléculas de estrutura ramificada, utilizadas como recipientes de libertação e transporte de agentes de imagem e compostos terapeuticamente ativos. As micelas são estruturas esféricas anfifílicas em

Polímeros para Sistemas de Libertação Controlada de Agentes Ativos MIEB – Tecnologia do Ambiente

forma de concha, com dimensões compreendidas entre 10 nm e 100 nm, cujo núcleo hidrofóbico pode incorporar um agente ativo lipofílico, aumentando a sua concentração em ambiente aquoso pela dissolução das micelas. As vesículas poliméricas são conchas esféricas, cujo compartimento aquoso é envolvido por uma membrana dupla constituída por copolímeros anfifílicos. Estas estruturas de grande resistência, estabilidade, com propriedades de membrana ajustáveis e capacidade de transportar compostos hidrofílicos e hidrofóbicos, são apropriadas para a libertação controlada de agentes ativos por resposta a estímulos externos. As superfícies inteligentes são camadas e filmes de base polimérica capazes de interagir com mucos, tecidos e células marcadas através de estímulos externos. [76], [81]

No que toca à segunda possível classificação, um sistema aberto diz respeito a um sistema no qual a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar as suas entradas como forma de alteração das variáveis do processo. Em sistemas fechados é realizada a deteção da variável controlada para regulação da saída do sistema. Assim, pode-se dizer que os sistemas fechados são autorregulados, enquanto os sistemas abertos são externamente regulados, libertando o agente ativo de forma pulsada. As variáveis externas que influenciam os sistemas abertos são alterações no campo magnético, nos ultrassons, na temperatura e no campo elétrico. No que toca aos sistemas fechados, estes são regulados por alterações de pH, reações enzima-substrato e hidrólises, sem qualquer intervenção do ambiente externo. [82]

Dadas as aplicações para as fibras do presente projeto, os estímulos apresentados mais interessantes são a temperatura e o pH. A temperatura média do corpo humano ronda os 37 °C, podendo esta aumentar localmente devido a uma resposta inflamatória causada pela presença de agentes patogénicos. O pH do corpo humano ronda o valor 7.2, mas em feridas ou queimaduras, este valor pode alterar-se até 6.5 por desencadeamento de reações inflamatórias ou de infeções, por exemplo. Deste modo, a alteração do pH ou da temperatura podem servir de estímulo à libertação dos agentes ativos incorporados nas fibras. Por estas razões os polímeros alvo de estudo no presente trabalho foram os polímeros pH-responsivos. [55], [56], [80], [83]

3.2.1. Polímeros pH-responsivos

Um polímero pH-responsivo é um polímero com esqueleto hidrofóbico protonado ou ionizado, como resposta a mudanças de pH, que sofre expansão devido às fortes repulsões eletrostáticas geradas pela alteração das cargas de grupos amina ou carboxilo presentes na sua

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estrutura. A mudança de fase induzida por pH nestes polímeros ocorre entre 0.2 e 0.3 unidades de pH, sendo o valor de pH ao qual ocorre designado de pKa. Os polímeros detentores de muitos grupos ionizáveis, designados de polieletrólitos, podem ser divididos em poliácidos fracos ou polibases fracas, tendo-se abordado os primeiros no presente documento. [55], [56], [77]–[79]

Os poliácidos fracos são polímeros que aceitam protões a pH ácido, libertando-os a pH neutro ou básico. Dependendo do poliácido, a pH neutro ou básico este pode sofrer expansão do seu volume ou dissolver-se, e a pH ácido dissolver-se ou precipitar. Desta forma, a pH superior ao seu pKa, as alterações na estrutura molecular destes polímeros ocorrem inversamente quando o pH se torna igual ou inferior ao valor de pKa. A passagem para o estado expandido é mediada pela pressão osmótica dos contra-iões neutralizados pelas cargas opostas, ou seja, estes polímeros expandem com o aumento do pH e colapsam quando diminui. [55], [77]–[80], [82], [84], [85]