Malvern | Otimização das propriedades macromoleculares de polímeros naturais para aplicações de bioimpressão 3D
Introdução
A impressão em 3D de materiais biocompatíveis e biodegradáveis tem o potencial de revolucionar a medicina através da criação de implantes personalisáveis, sistemas de libertação controlada and medicamentos personalizados. A impressão 3D de biopolímeros é feita por extrusão a temperatura controlada. Movendo-se em duas dimensões, esta técnica constrói a forma tridimensional através de um processo Layer by Layer.
A bioimpressão por extrusão tem sido utilizada para incorporar células em hidrogéis constituídos por materiais sintetizados ou naturais. Contudo, a variedade dos materiais que podem ser utilizados na impressão 3D e, mais especificamente na bioimpressão 3D, é limitada. Gelatinas e quitosanos são opções atrativas para esta aplicação, uma vez que são materiais de origem biológica. No entanto, estes materiais carecem das propriedades mecânicas desejadas para as estruturas 3D. Para ultrapassar esta limitação, promovem-se modificações químicas, como a reticulação, que permitem não só melhorar as propriedades mecânicas do material, mas também controlar o perfil de libertação de fármacos quando as estruturas impressas são implementadas como sistemas de libertação controlada.
Os filamentos de polímeros utilizados na bioimpressão 3D seriam primeiramente caracterizados pelo seu peso molecular e distribuição do peso molecular. A cromatografia de exclusão de tamanho (SEC), ou cromatografia de permeação de gel (GPC), é uma técnica amplamente utilizada para caracterizar macromoléculas, desde polímeros sintéticos até proteínas. Esta técnica pode ser utilizada para medir a distribuição do peso molecular, a viscosidade intrínseca e o raio hidrodinâmico. As medições de viscosidade intrínseca combinadas com o peso molecular podem ser usadas para identificar diferenças estruturais entre amostras.
Esta nota de aplicação descreve a análise de materiais gelatinosos e quitosanos que foram quimicamente modificados com a intenção de melhorar as suas propriedades para aplicações de bioimpressão 3D. Utilizando o sistema de multi-deteção OMNISEC, foram identificadas diferenças distintas entre os materiais iniciais e os materiais reticulados.
Resultados
Os materiais foram analisados em condições aquosas num sistema GPC de multi-deteção OMNISEC. O grau de reticulação nos materiais foi controlado pela quantidade de crosslinker adicionada, as gelatinas foram carregadas com 0.10, 0.50 e 1.00 % de crosslinker, enquanto os quitosanos foram carregados com 0.00, 0.15, 0.75 e 0.50 %. A figura 2 mostra os cromatogramas da análise da gelatina contendo 0,00 % de crosslinker como exemplo. Na figura 1, temos o sinal do detetor de índice de refração a vermelho, o sinal do viscosímetro a azul, o sinal do RALS a verde e o sinal do LALS a preto. O peso molecular calculado em cada volume de retenção é também apresentado em castanho para visualizar a distribuição do peso molecular calculado da amostra.
Os resultados quantitativos para as 8 amostras são apresentados no Quadro 1. O peso molecular absoluto é reportado como peso molecular médio (Mw) e peso molecular médio em número (Mn). A introdução do crosslinker na amostra de gelatina resultou no aumento de quatro vezes do peso molecular e duas vezes a distribuição da massa molar. Verificou-se que a viscosidade intrínseca (IV) permaneceu perto de 0,2 dL/g, enquanto que o raio hidrodinâmico (Rh) aumentou com o aumento do grau de reticulação. As amostras de quitosano não seguem as mesmas tendências das amostras de gelatina. Um aumento inicial abrupto do Mw e Rh foi observado quando se aumentou a percentagem de crosslinker de 0.00 para 0.15. Maiores % de crosslinker levaram a que as amostras se tornassem insolúveis. Isto sugere que o processo de reticulação do quitosano foi mais eficiente do que da gelatina, o que pode ser causado por diferenças na reatividade do crosslinker com os dois tipos de amostras ou às condições em que a reticulação foi realizada.
Os resultados da Tabela 1 são apresentados como valores médios, contudo, as informações sobre o tamanho e estrutura são determinadas em toda a distribuição de Mw da amostra. Isto é representado graficamente na Figura 2, sendo o Rh e a IV são apresentados em função do peso molecular crescente da amostra.
Uma reticulação bem-sucedida deve conduzir a uma diferença na estrutura do polímero e a curva Mark-Houwink é uma ferramenta útil para investigar estas diferenças.
Numa curva de Mark-Houwink, as viscosidades intrínsecas das amostras podem ser comparadas através das suas distribuições de peso molecular. Quanto mais baixa for a viscosidade intrínseca de uma amostra, maior é a sua densidade molecular. Na Figura 3 observa-se uma correlação direta entre o aumento da densidade molecular e o aumento de crosslinker usado. Esta observação significa o controlo bem-sucedido do grau de reticulação com a % de crosslinker.
Conclusão
A análise das amostras de gelatina e quitosano reticulados utilizando um GPC com multi-deteção forneceu peso molecular absoluto, tamanho e informação estrutural sobre as amostras. As alterações nas distribuições de peso molecular foram identificadas com a poderosa tecnologia Light Scattering do sistema OMNISEC. Além disso, os valores de viscosidade intrínseca derivados da utilização do viscosímetro em linha, combinados com os valores de peso molecular absoluto, foram utilizados para produzir as curvas de Mark-Houwink. A curva da gelatina para várias % de crosslinker foi usada para identificar diferenças estruturais entre as amostras, dando uma visão clara de como o polímero se altera após a modificação química.
Outros estudos sobre estas amostras de gelatina e quitosano reticulados, que ainda não foram publicados, mostraram que a modificação química alterou o seu perfil de libertação do fármaco, de acordo com o Mw e as diferenças estruturais reveladas pelo OMNISEC. Isto ilustra que o OMNISEC é uma ferramenta importante na caracterização de biopolímeros modificados para impressão 3D, dando uma valiosa contribuição para o desenvolvimento de polímeros com propriedades personalizadas para a otimização do processo de impressão 3D e a sua aplicação final.
Fonte: Malvern Panalytical
