Ongoing Emotional encounters

Os polímeros sensíveis à temperatura apresentam modificações em sua estrutura e propriedades em resposta a uma mudança na temperatura do sistema (YUAN et al., 2012).

A solubilidade da maioria dos polímeros sintéticos aumenta com o aquecimento, mas alguns polímeros hidrossolúveis sofrem separação de fases em solução com o aquecimento. Esta propriedade particular é referida como solubilidade dependente do inverso da temperatura. Este é um comportamento característico de sistemas poliméricos que exibem temperatura consoluta inferior (Lower Critical Solution Temperature – LCST) (NYKÄNEN et al., 2007; ALZARI et al., 2009; MA et al., 2010). Enquanto que, quando a separação de fases ocorre com a diminuição da temperatura, os sistemas poliméricos exibem uma temperatura consoluta superior (Upper Critical Solution Temperature – USCT) (SCHMALJOHANN, 2006). Em particular, a LCST é a temperatura na qual a solução do polímero sofre transição de fases, passando de uma fase (cadeias poliméricas solúveis no meio, estado isotrópico) para duas fases (cadeias poliméricas insolúveis no meio, estado anisotrópico) com o aumento da temperatura do sistema (BAJPAI et al., 2008; BAJPAI et al., 2010). Esta transição de fases é reversível e as propriedades iniciais do sistema polimérico são recuperadas quando o estímulo é removido (BAJPAI et al., 2010).

A temperatura consoluta inferior é o resultado de um balanço hidrofílico-hidrofóbico na estrutura química do polímero, em resposta às interações intermoleculares entre polímero- solvente e entre polímero-polímero (HSU; CHU; YANG, 2012). Abaixo da LCST, as ligações de hidrogênio entre os grupos hidrofílicos do polímero e as moléculas de água são predominantes, o que favorece a solubilidade do polímero no meio. Por outro lado, acima da LCST, a cadeia do polímero desidrata, isto é, as ligações de hidrogênio são enfraquecidas e as interações entre os grupos hidrofóbicos da macromolécula tornam-se mais fortes. Consequentemente, as cadeias do polímero compactam, levando à turvação do sistema (AGUILAR et al., 2007; HSU; CHU; YANG, 2012). Este comportamento é atribuído à transição da cadeia polimérica no solvente entre um estado expandido como novelo (abaixo da LCST) e um estado compactado como glóbulo (acima da LCST) (BAJPAI et al., 2008).

Gao e colaboradores (2005) investigaram a transição de fase e o tamanho das partículas de poli (N-isopropilacrilamida) com grupo carboxílico terminal (PNIPAAm- COOH) e copolímeros de poli (alilamina)-g-poli (N-isopropilacrilamida) com incorporação de de 50, 29 e 18% de PNIPAAm, na concentração de polímero de 2 g/L, em solução aquosa por espalhamento de luz dinâmico (DLS). Eles observaram que os tamanhos das partículas

praticamente não variaram com o aumento da temperatura de 25 até atingir 33 °C e foram menores do que aqueles da subsequente agregação, que atingiu um tamanho máximo em 34 ± 1 °C (temperatura consoluta inferior – LCST ou transição de fase). Neste trabalho, a LCST foi definida como o ponto de máxima agregação de polímero. Comparada com a PNIPAAm- COOH, todos os copolímeros apresentaram similar transição de fase, indicando que a graftização da cadeia lateral de PNIPAAm-COOH não interfere na transição de fase dos copolímeros sensíveis à temperatura estudados Acima da LCST da PNIPAM, as partículas maiores dos polímeros tenderam a compactar com o aumento da temperatura. (Figura 3.25). Basicamente, os tamanhos das partículas dos copolímeros aumentaram com a diminuição da quantidade de poli (N-isopropilacrilamida) incorporada na cadeia principal da poli (alilamina), e atingiu um valor máximo de 190 nm, quando a quantidade de PNIPAAm foi 29%. Uma quantidade ainda menor de graftização, entretanto, diminuiu o tamanho da partícula para 170 nm. Os polímeros sensíveis à temperatura mostraram comportamento de agregação reversível acima e abaixo da LCST (GAO; MOHWALD; SHEN, 2005).

Figure 3.25 - Raio hidrodinâmico em função da temperatura com aquecimento e resfriamento PNIPAAm-

COOH (a) e copolímeros de poli (alilamina)-g-poli (N-isopropilacrilamida) com diferentes porcentagens de graft: 50% (b), 29% (c) e 18% (d)

A função termodinâmica usada para avaliar a transição de fases da cadeia polimérica em um determinado solvente é a energia livre de dissolução (ΔG). A energia livre de

dissolução (ΔG) pode ser representada por ΔG = ΔH - TΔS, em que a energia livre do

sistema polimérico no meio pode mudar de negativa (processo favorável) para positiva (processo desfavorável) com o aumento da temperatura. Abaixo da LCST, a contribuição

entálpica (ΔH) relacionada com as ligações de hidrogênio entre o polímero e as moléculas de

água (entalpia de solubilização negativa), torna-se maior do que o ganho entrópico (ΔS) do sistema polimérico. Consequentemente, a energia livre de dissolução torna-se negativa, contribuindo com a dissolução do polímero (DIMITROV et al., 2007). Acima da LCST, a contribuição entrópica (interações hidrofóbicas) (entropia negativa) para a energia livre de dissolução do sistema polimérico torna-se maior do que a contribuição entálpica. Assim, ΔG torna-se um valor positivo e a separação de fases do polímero em solução começa a ocorrer (DIMITROV et al., 2007; BAJPAI et al., 2010; KUMAR et al., 2011).

As poliacrilamidas N-substituídas representam um dos grupos de polímeros termossensíveis que exibe LCST. A estrutura química de alguns destes polímeros é mostrada na Figura 3.26 (GIL e HUDSON, 2004). Outros polímeros da família correspondem a poli (N,

N’-dietilacrilamida, poli (2-carboxiisopropilacrilamida), poli (N-(L)-(1-hidroximetil)

propilmetacrilamida) e poli (N-acriloil-N’-propilpiperazina). A característica comum dos polímeros termossensíveis é a presença de grupos hidrofóbicos, tais como metil, etil e propil (BAJPAI et al., 2010).

Figura 3.26 - Estruturas químicas dos polímeros termossensíveis: (a) Poli (N-isopropilacrilamida, (b) Poli (N,

N’-dietilacrilamida), (c) poli (2-carboxiisopropilacrilamida), (d) poli (N-(L)-(1-hidroximetil)

propilmetacrilamida) e (e) poli (N-acriloil-N’-propilpiperazina)

R = -CH₂-CH₂-CH₃

Fonte: Adaptado de (GIL; HUDSON, 2004)

Outros grupos de polímeros sensíveis à temperatura que exibem LCST podem ser representados, por exemplo, pela poli (vinil metil éter) (DIMITROV et al., 2007; LIU; FRAYLICH; SAUNDERS, 2009), poli (vinil isobutil amida) (GIL; HUDSON, 2004) e poli (N-vinil caprolactama) (ALZARI et al., 2009). Além disso, alguns derivados de celulose, tais como metilcelulose e hidroxipropilcelulose foram reportados como materiais que apresentam comportamento sensível à temperatura (LIU; FRAYLICH; SAUNDERS, 2009).

Alguns dos polímeros sensíveis à temperatura e seus respectivos valores de LCST em água são mostrados na Tabela 3.6 (JEONG; KIM; BAE, 2002).

Tabela 3.6 - Valores da temperatura consoluta inferior (LCST) de polímeros termossensíveis em água

Polímero LCST (°C)

Poli (N-isopropilacrilamida), PNIPAM ~32 Poli (vinil metil éter), PVME ~40 Poli (etilenol glicol), PEG ~120 Poli (propileno glicol), PPG ~50 Poli (ácido meta-acrílico), PMAA ~75 Poli (álcool vinílico), PVA ~125 Poli (vinilpirrolidona), PVP ~160

Metilcelulose, MC ~80

Hidropropilcelulose, HPC ~55

Poli (vinilcaprolactama) ~30

Fonte: (JEONG, KIM e BAE, 2002)

A poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) tem sido um dos sistemas termossensíveis mais estudados (JEONG; KIM; BAE, 2002; GIL; HUDSON, 2004; AGUILAR et al., 2007; NYKÄNEN et al., 2007; ALZARI et al., 2009; LIU; FRAYLICH; SAUNDERS, 2009; BAJPAI et al., 2010; HSU; CHU; YANG, 2012). Este polímero apresenta uma transição de fase abrupta na temperatura consoluta inferior (em inglês, lower critical solution temperature - LCST), em torno de 32 °C, quando dissolvido em água (NYKÄNEN et al., 2007; ALZARI et al., 2009; MA et al., 2010). Estudos sugerem que o número médio de moléculas de água que hidratam cada mero de NIPAM (N-isopropilacrilamida) diminui de 11 para aproximadamente 2 com o colapso hidrofóbico acima da LCST (32 °C) (MA et al., 2010). Abaixo da LCST, a solubilidade do polímero em fase aquosa pode ser atribuída às ligações de hidrogênio entre os grupos amida da cadeias do polímero e as moléculas de água. As macromoléculas estão hidratadas e em um estado expandido como novelo. Acima da LCST, as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água e as cadeias do polímero são enfraquecidas e as interações hidrofóbicas entre os grupos isopropil da PNIPAM são fortalecidas, levando a compactação das cadeias de PNIPAM como glóbulos (Figura 3.27) (TAM; WU; PELTON, 1992; LIN; CHEN; LIANG, 1999; SALGADO-RODRÍGUEZ; LICEA-CLAVERÍE; ARNDT, 2004; DIMITROV et al., 2007; BURDUKOVA et al., 2010; LIM et al., 2014).

Figura 3.27 - Efeito da temperatura na transição de fases da poli (N-isopropilacrilamida) em água

T > LCST

T < LCST

Fonte: Adaptado de (DIMITROV et al., 2007; LIM et al., 2014)

A transição de fases da PNIPAM é governada pelo balanço entre os segmentos hidrofílicos e hidrofóbicos (LIN, CHEN e LIANG, 1999). Fatores que aumentam as interações entre polímero e solvente aumentam a LCST, enquanto que os fatores que aumentam as interações polímero-polímero diminuem a LCST (LIU; FRAYLICH; SAUNDERS, 2009).

É possível controlar a LCST de um polímero termossensível por um adequado balanço hidrofílico e hidrofóbico, como resultado de uma copolimerização ou modificação química (SCHMALJOHANN, 2006; ALZARI et al., 2009; LIU; FRAYLICH; SAUNDERS, 2009; HSU; CHU; YANG, 2012; YUAN et al., 2012). Quando o monômero NIPAM é copolimerizado com monômeros mais hidrofílicos, tal como acrilamida (AM), a LCST aumenta e pode até desaparecer. Entretanto, se o monômero NIPAM é copolimerizado com monômeros mais hidrofóbicos como o N-t-butilacrilamida (N-t-BAM), a LCST diminui, como mostrado na Figura 3.28 (HOFFMAN et al., 2000).

Figura 3.28 - Efeito da copolimerização na LCST da PNIPAM

Fonte: Adaptado de (HOFFMAN et al., 2000)

Zhang e colaboradores (2010) estudaram as propriedades das soluções de copolímeros hidrossolúveis termossensíveis de N-isopropilacrilamida (NIPAM), hidroxietil metacrilato (HEMA) e acrilamida (AM). Os autores concluíram que a LCST das soluções poliméricas pode ser controlada modificando a proporção de cada monômero. O aumento da quantidade do monômero HEMA diminuiu a LCST, enquanto o aumento do AM conduziu ao aumento da LCST. Outra forma utilizada para controlar a LCST é adicionando pequenas moléculas. A adição de NaCl diminuiu a LCST e a adição de dodecil benzeno sulfonato de sódio (Sodium Dodeyl Benzene Sulfonate – SDBS) aumentou a LSCT. Nesse estudo, as soluções aquosas dos polímeros mostraram um bom comportamento termoviscosificante (ZHANG et al., 2010).

De acordo com a literatura, copolímeros que apresentam cadeias de PNIPAM graftizadas em uma cadeia principal hidrofílica, tal como, PAA (poli(ácido acrílico)-g- PNIPAAM (DURAND; HOURDET, 2000) e CMC-g-PNIPAM (BOKIAS et al., 2001), exibem comportamento termoviscosificante. Este comportamento é apresentado por alguns polímeros em solução aquosa, que sofrem um ganho significativo de viscosidade com o aumento da temperatura. Comportamento semelhante foi observado para misturas físicas formadas por dois polímeros com propriedades diferentes: poli (acrilato de sódio) hidrofobicamente modificado com grupos octadecil (HMPA) e PNIPAM. Entretanto, a graftização das cadeias de PNIPAM na cadeia principal hidrofílica é um dos métodos mais usados para produzir materiais termoviscosificantes (BOKIAS et al., 1997; BOKIAS et al., 2001). Bem como, é possível sintetizar polímeros termoviscosificantes à base de NIPAM pela

modificação da quantidade de monômeros hidrofílicos ou hidrofóbicos, como reportado por (ZHANG et al., 2010).

A LCST também pode depender da massa molar e concentração de polímero (Bajpai et al., 2010). Pamies e colaboradores (2009) estudaram a transição de fase induzida pela temperatura para três amostras de poli(N-isopropilacrilamida) com massas molares de 5,35 x 103 (n = 47); 9,01 x 103 (n = 71) e 1,34 x 104 (n = 106) g/mol através da turbidimetria. Foi observado por diferentes técnicas que a temperatura consoluta inferior da PNIPAM é dependente do comprimento da cadeia polimérica (massa molar) e da concentração de polímero, considerando massas molares menores que 1,2 x 104 g/mol (PAMIES et al., 2009).

A Figura 3.29 apresenta os dados de turbidez para as amostras de PNIPAM com diferentes massas molares na concentração de 10 g/L. Para todas as massas molares, os dados de turbidez exibiram uma transição abrupta na temperatura, conhecida como ponto de turbidez (em inglês, cloud point - CP). O ponto de turbidez é o ponto a partir do qual a turbidez começa a aumentar com o aumento da temperatura devido ao aumento do caráter hidrofóbico da PNIPAM, que favorece agregados maiores e aumento dos valores de turbidez até atingir um valor máximo. Após este valor máximo, a densidade de segmentos hidrofóbicos no núcleo da partícula torna-se alta, resultando na contração dos agregados. As interações hidrofóbicas aumentam com o aumento do comprimento da cadeia do polímero e, consequentemente, o início da formação dos agregados ocorrerá em temperaturas menores. Quanto maior a massa molar do polímero menor será o ponto de turbidez, a uma concentração constante de polímero. Para soluções aquosas de polímero anfifílico como PNIPAM (PELTON, 2010) de cadeias razoavelmente curtas, o número de segmentos hidrofóbicos na cadeia aumentará com o aumento da massa molar; e a frequência de colisão e a probabilidade de interação são aumentadas. Isto conduz à formação de agregados em temperaturas menores e a diminuição do CP, o que demonstra claramente que o comprimento da cadeia é um fator importante para afetar a transição de fase da PNIPAM na variação de massa molar estudada (PAMIES et al., 2009).

Figura 3.29 – Efeito da massa molar na turbidez da amostra de P(NIPAM)n a 10 g/L

Fonte: (PAMIES et al., 2009)

Foi também observado que os valores do ponto de turbidez diminuem com o aumento da concentração de polímero, o que pode ser atribuído ao aumento das associações intermoleculares em concentrações maiores, favorecendo a redução do CP (Figura 3.30) (PAMIES et al., 2009).

Figura 3.30 – Efeito da concentração e massa molar na turbidez das amostras de P(NIPAM)n

Fonte: (PAMIES et al., 2009)

Por outro lado, de acordo com o estudo de Fujishige e colaboradores (1989), a transição de fase da PNIPAM não é afetada pelas massas molares maiores, isto é, da ordem de

5,0 x 104 a 8,0 x 106 g/mol e concentrações de polímero de 0,01 a 1 wt% (Figure 3.31), o que indica que a LCST é independente da massa molar e concentração de polímero (ALZARI et al., 2009). Este comportamento indica que o número de segmentos hidrofóbicos desempenha um papel menos dominante para as cadeias longas (FUJISHIGE, KUBOTA e ANDO, 1989; PAMIES et al., 2009). Foi observado que, a transição de fase da PNIPAM em solução aquosa ocorreu ao atingir 31 °C e os valores de transmitância diminuíram para aproximadamente 0 %, independentemente da massa molar. O aumento da concentração de polímero não afetou a LCST, mas contribuiu com a diminuição da transmitância, em particular, atingindo aproximadamente 0% de transmitância a 1 wt% de polímero, como mostrado na Figura 3.31 (b) (FUJISHIGE; KUBOTA; ANDO, 1989).

Figura 3.31 – Efeito da massa molar (a) e da concentração (b) nas medidas de transmitância da PNIPAM em

água com aquecimento (-) e resfriamento (---)

(a) (b)

Fonte: (FUJISHIGE; KUBOTA; ANDO, 1989)

Os polímeros termossensíveis têm despertado muito interesse por pesquisas devido ao seu comportamento reversível em resposta ao estímulo temperatura e por serem usados para formar materiais inteligentes com tamanho da ordem de nano ou micrometros, tais como géis, micelas, cápsulas e partículas. Estes materiais em diferentes formas físicas apresentam diversas aplicações, incluindo controle reológico, processo de separação por afinidade térmica, liberação controlada de fármacos, modificação de superfície e terapia gênica (LIU; FRAYLICH; SAUNDERS, 2009).