Elizabeth Shen, Robert Pizsczek, Brianne Dziadul, Balaji Narasimhan

Apresentação em tema: "Elizabeth Shen, Robert Pizsczek, Brianne Dziadul, Balaji Narasimhan"— Transcrição da apresentação:

1 Elizabeth Shen, Robert Pizsczek, Brianne Dziadul, Balaji Narasimhan
Separação de Microfases em Copolímeros Bioerodíveis para Libertação de Fármacos Elizabeth Shen, Robert Pizsczek, Brianne Dziadul, Balaji Narasimhan Angela Pisco Nuno Santos Teresa Cardoso Biomateriais II 28 de Outubro de 2008

2 LIBERTAÇÃO DE FÁRMACOS
Possibilidade de aplicar em órgãos específicos uma quantidade específica de fármaco durante um determinado tempo. A quantidade de fármaco depende principal e significativamente apenas do processo de erosão da superfície do polímero. Uso terapêutico. Tempo de libertação: entre semanas a anos. A libertação de fármacos é um tópico em elevado estudo científico devido às suas vantagens face a outros métodos semelhantes. Este processo consiste basicamente na utilização de um polímero biodegradável, ou seja, que não seja tóxico e se degrade de forma controlada. Este tempo de degradação pode ir de semanas a anos. Ao contrário de outros métodos, em que o dispositivo de libertação do fármaco não é biodegradável e por isso no fim é necessária a sua remoção cirúrgica, este tipo de libertação é efectuado de forma não-evasiva.

3 POLÍMERO CPP:SA Polímero mais utilizado em estudos humanos:
1,3-bis-p-carboxyphenoxy propane-co-sebacic anhydride – (20:80 CPP:SA) — ou derivados. Os polianidridos são constituídos por monómeros diácidos carboxílicos ligados por uma ligação anidridica. A degradação destas ligações é efectuado por hidrólise em ambiente de água. Um dos polímeros mais utilizado em estudos humanos, aprovado pela FDA, é o CPP:SA, carboxifenoxipropano e o ácido sebácico. É bastante utilizado com proteínas anti-cancro. Os polianidridos são os polímeros mais utilizados neste tipo de técnica, como o CPP:SA, e são constituídos por dois monómeros diácidos carboxílicos ligados anidridicamente. Isto deve-se às boas características de bioerodibilidade. É importante salientar que as ligações anidridicas degradam-se através de hidrólise em meio aquoso, meio perdominante no organismo humano.

4 LIBERTAÇÃO vs EROSÃO Retirado de [xxx].
Relativamente ao CPP:SA na proporção 20:80, foram realizados experiências que pretendiam relacionar a distribuição da libertação de fármaco e a degradação do polímero. Chegou-se à conclusão que só havia correlação num determinado período de tempo, neste caso a partir dos 4 dias. Antes disso, + de 60% da degradação ocorria, havendo uma libertação mais intensamente que a degradação. Relativamente ao 1º gráfico conclui-se que o SA degrada + rapidamente que o CPP. E isso deve-se ao seu carácter hidrofílico. Provavelmente é isto que origina o resultado do gráfico da direita. Retirado de [xxx].

5 OBJECTIVOS Hipótese: Como demonstrar:
Co-monómeros sujeitam-se a separação de micro-fase dependendo da sua hidrofobicidade e composição. Os compostos integrados separam-se termodinamicamente dentro do polímero. Como demonstrar: Relatórios anteriores que corroborem a hipótese. Caracterização térmica, morfológica e micro estrutural do CPH:SA. No artigo foram relatadas hipóteses e teses, para o demonstrar. A primeira hipótese seria de que os monómeros sujeitavam-se a separação de micro-fase, dependendo apenas da sua hidrofobicidade e composição. A separação de micro-fase corresponde a uma separação a nível nanoscópico. Por vezes os copolímeros, devido a este fenómeno, formam blocos . Estes blocos tendem a separar-se devido a incompatibilidade (hidrofobicidade e composição). Esta separação não ocorre a nível macroscópico uma vez que estes se encontram ligado covalentemente. Para além disto, eles acreditam que ainda assim os compostos integrados poderão separar-se termodinamicamente, ou seja, quebrar as ligações covalentes. A sua demonstração é baseada em artigos anteriores a este e através de caracterizações térmicas, morfológica e micro estrutural do CPH:SA.

6 POLÍMERO: CPH:SA SA: Ácido Sebácico
CPH: 1,6-bis-(p-carboxifenoxi)hexano Clorofórmio Anidrido Acético em excesso Etilo anidrido purificação refluxo agitação secagem SA SA filtração 50ºC Éter de petróleo Ácido Acético Éter de etilo seco Anidrido Acético em excesso lavagem refluxo evaporação filtração CPH CPH filtração purificação evaporação Clorofórmio

7 CPH:SA Composição Molar: Introdução do fármaco:
0:100, 20:80, 50:50 e 80:20 de CPH:SA. Efectuado por policondensação dos prepolímeros acetilados. Introdução do fármaco: Caracterização do CPH:SA: Peso Molecular e sua distribuição: Cromatografia de exclusão molecular. Propriedades térmicas e caracterização morfológica. Caracterização micro estrutural. CPH:SA Brilliant blue p-nitroanilino O CPH:SA utilizado neste artigo terá uma composição molar descrita aqui. As suas obtenções são efectuadas após policondensação dos prepolímeros acetilados que vimos antes. No fim adiciona-se o fármaco. Neste caso, o fármaco é substituído por brilliant blue e p-nitroanilino, que apresentam características em tudo semelhantes aos fármacos. A caracterização do CPH:SA, que servirá de resultados para comprovar as hipóteses criadas, é realizada por determinação do peso molecular e sua distribuição -> GPC, 2º -> WAXD e DSC e 3º -> AFM.

8 CPH:SA Cromatografia de exclusão molecular:
Passagem da amostra segundo uma coluna com um meio poroso. As partículas de menor dimensão são retidas no meio. Microscopia de força atómica (AFM): A passagem da sonda na superfície da amostra varia a sua posição segundo z. O transdutor converte a força da sonda em energia eléctrica analisada pelo computador. Cromatografia: Serve para determinar a composição molecular de uma amostra. Para isso, faz-se passar uma amostra ao longo de uma coluna com um meio poroso. As moléculas de maior dimensão passam primeiro na coluna, uma vez que as de menor dimensão ficam retidas. No fim, obter-se-á um espectro ao longo do tempo. Microscopia: Serve para obter a microestrutura do polímero. O microscópio utiliza uma sonda que percorre a amostra num plano. Ao percorrê-lo, haverá oscilações segundo o 3º eixo. Essa variação é captada por um transdutor que o converte em sinal eléctrico ampliando-o. No fim obtém-se uma imagem bidimensional da amostra.

9 CPH:SA Calorimetria exploratória diferencial (DSC):
Constituído por uma amostra e substância de referência. A variação da temperatura do polímero é acompanhado pela substância de referência. As diferentes variações ocorrem em pontos de transição de fase. Difracção de raio-X (WAXD): Teoria baseada na lei de Bragg. Utilizado para determinar a estrutura das partículas poliméricas. Calorimetria: Consiste num aparelho que possui dois apoios, um para a amostra e outro que serve de referência. É imposto calor a ambos os apoios. A temperatura de ambos terá de ser igual durante todo o período de tempo. O que se mede é o fluxo de calor que o aparelho insere na amostra. Nos pontos de transição de fase aquele fornece calor a mais na amostra, para que ambos tenham a mesma temperatura. Difracção: Baseado nas leis de Bragg. O raio-X incide na matéria desviando-se segundo ângulos diferentes para várias moléculas. Isto permite determinar a estrutura das partículas. [Os polímeros possuem uma maior capacidade de calorimetria (Cp) em temperaturas superiores às transição vítrea. Quanto maior o Cp maior a quantidade de calor que o polímero aceita. Na cristalização do polímero há libertação de energia.]

10 FUNDAMENTOS TEÓRICOS(1)
Massas molares e Índice de polidespersão Massa em número Massa em peso Índice de polidespersão > 1 polidesperso = 1 monodisperso

11 FUNDAMENTOS TEÓRICOS(2)
Grau de Cristalinidade Fracção de cristalinidade (elevada ordem tri-dimensional) na amostra de polímero Pode ser calculada utilizando H é o calor de fusão e é obtido a partir de DSC do copolimero No casa de ser puro corresponde à divisão do valor obtido para o homopolimero pelo grau de cristalinidade obtido por WAXD Wsa e Wcph são as fracções mássicas dos monómeros em cada copolímero Difracção de Raios-X área sob os picos cristalinos (Ac) dividida pela área total sob o padrão de difracção (At) Difracção de Raios-X e Calorimetria Diferencial Calcula-se relativamente ao grau de cristalinidade dos homopolímeros

12 FUNDAMENTOS TEÓRICOS(3)
Espessura lamelar do cristal Equação de Thomson-Gibbs Energia livre da superfície lateral por unidade de área dos enrolamentos da cadeia H obtido directamente de dados de calorimetria diferencial – area sob o pico de fusão H obtido directamente de dados de calorimetria diferencial e=70 erg/cm3 Calor de fusão por unidade de volume dos cristais Temperatura de fusão de um cirstal de espessura L Temperatura de fusão de equilibrio de um cristal de espessura infinita

13 FUNDAMENTOS TEÓRICOS(4)
Espessura lamelar do cristal Aplicação preferencial ao estudo de homopolímeros Utilização em copolimeros tem se mostrado adequada para a previsão da espessura lamelar do cristal nestes polímeros Resultados médios enquadram-se no intervalo definido pelo erro experimental Thomson-Gibbs Equação de Mandelkern et al (Macromolecules, 1994) Lu et al (Macromolecules, 1994) Mallapragada (J. Polym Sci: Part B: Polym Phys, 1996)

14 FUNDAMENTOS TEÓRICOS(5)
Espessura lamelar do cristal Tm 92.5º Têmpera do polímero aumenta a mobilidade da cadeia, permitindo que as lamelas se rearragem e cresçam To calculate ¹.=, the polymer is annealed at various crystallization temperatures, ¹#, between the glass transition temperature, ¹' , and melting temperature, ¹.. Annealing the polymer increases chain mobility, allowing the lamellae to rearrange and grow. Thus, the newly observed melting temperature of the polymer, ¹./, increases. Fig. ??. Representação gráfica de Tm vs Tc para o poli(SA).

15 FUNDAMENTOS TEÓRICOS(6)
Interacções Fármaco-Polímero Ao introduzir-se um fármaco no polímero, ocorre o fenómeno de depressão crioscópica Constante dos gases perfeitos Temperatura de fusão inicial Temperatura de fusão da mistura Volume molar da unidade de repetição do polímero Fracção volúmica do fármaco Parâmetro de interacção polímero-fármaco  = B / T Volume molar de fármaco

16 RESULTADOS E DISCUSSÃO (1)
Propriedades das Polianidridas Sintetizadas Propriedade Composição CPH : SA 0:100 20:80 50:50 80:20 Mn (g/mol) 18619 8841 5396 5515 Mw (g/mol) 38038 26529 20608 20696 PDI 2.04 3.00 3.82 3.75 Tm (ºC) 79.0 66.5 50.2 114.0 Tg (ºC) 62.2 50.0 -- 32.9 Tm1 (ºC) Tm (ºC) 92.5 78.8 51.0 117.5 Hpuro (J/g) 221.3 153.3 92.1 55.3 L (nm) 17 26 81 288 XWAXD (%) 60.8 46.7 29.6 28.0 XDSC (%) 59.2 29.1 25.8

17 RESULTADOS E DISCUSSÃO (2)
poly(SA) CPH:SA 20:80 CPH:SA 50:50 CPH:SA 80:20 Cristalinidade e Propriedades Térmicas À medida que a fracção de CPH aumenta, os picos de difracção deixam de estar bem definidos, confluindo para um único pico largo FRACÇÃO DE CRISTALINIDADE DIMINUI Fig. ??. Padrões de difracção de raios-X

18 RESULTADOS E DISCUSSÃO (3)
Cristalinidade e Propriedades Térmicas O calor de fusão diminui à medida que o conteúdo em CPH aumenta Temperaturas de fusão relativamente baixas Reduz a probabilidade de desnaturação por calor das moléculas nas quais foi incorporado o fármaco CRISTALINIDADE DIMINUI Fig. ??. Termogramas de DSC

19 ANGELA  Uniformizar tamanho e formato das legendas
Confirmar numeração Fazer animações Referências ao longo dos slides aos locais de onde foram retiradas as imagens Bibliografia

20 RESULTADOS E DISCUSSÃO (4)
Microestrutura das superficies poliméricas Separação de microfases ???? Detecção topográfica Detecção de fase copolímero SBS (polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene)

21 RESULTADOS E DISCUSSÃO (5)
Microestrutura das superficies poliméricas Detecção topográfica semelhante à detecção de fase / Domínios de contraste na detecção de fase estão visíveis como diferenças de amplitude na detecção topográfica Detecção topográfica Poli(SA) Detecção de fase Poli(SA) Não há separação de microfases ! Detecção topográfica 50:50 CPH:SA Detecção de fase 50:50 CPH:SA

22 RESULTADOS E DISCUSSÃO (6)
Microestrutura das superficies poliméricas Detecção topográfica não é semelhante à detecção de fase / Domínios de contraste na detecção de fase não estão visíveis como diferenças de amplitude na detecção topográfica Detecção topográfica 80:20 CPH:SA Detecção de fase 80:20 CPH:SA Há separação de microfases ! Detecção topográfica 20:80 CPH:SA Detecção de fase 20:80 CPH:SA

23 RESULTADOS E DISCUSSÃO (7)
Microestrutura das superficies poliméricas 1H NMR Ron et al (Macromolecules, 1991) Para um elevado conteúdo de um dos monómeros, o copolímero tem um comportamento em blocos Comportamento em blocos conduz à separação de microfases

24 RESULTADOS E DISCUSSÃO (8)
Interacção entre o polí(SA) e o fármaco brilliant blue 0 fármaco brilliant blue não influencia os valores de temperatura de fusão do polímero poli(SA) Termogramas obtidos através de DSC do poli(SA) com 15% de brilliant blue. a) Sem têmpera; b) Têmpera de 65oC; c) Têmpera de 70oC; d) Têmpera de 75oC.

25 RESULTADOS E DISCUSSÃO (9)
Interacção entre o polí(SA) e o fármaco brilliant blue Aparecimento de um padrão característico após a adição do fármaco ( 31<2<40 ) Alterações muito pequenas nos valores de cristalinidade Padrão de difracção de raios-X do poli(SA) com várias proporções de brilliant blue. a) 0%; b) 15%; c) 30%; d) 45%.

26 RESULTADOS E DISCUSSÃO (10)
Interacção entre o polí(SA) e o fármaco p-nitroanilina 0 fármaco p-nitroanilina conduz a uma diminuição dos valores de temperatura de fusão do polímero poli(SA) Termogramas obtidos através de DSC do poli(SA) com a) 0%, b) 5%, c)10% e d) 15% do fármaco p-nitroanilina.

27 RESULTADOS E DISCUSSÃO (11)
Interacção entre o polí(SA) e o fármaco p-nitroanilina  = 4214/T(K) Recta cujo declive corresponde ao parâmetro de interacção entre o polímero e o fármaco p-nitroanilina. Não se verifica o aparecimento de um padrão característico após a adição do fármaco Redução da cristalinidade 10% Padrão de difracção de raios-X do poli(SA) com várias proporções de p-nitroanilina. a) 0%; b) 5%; c) 10%; d) 15%.

28 CONCLUSÕES E ESTUDOS RECENTES (1)
Existe separação de microfases para composições específicas do copolímero CPH:SA – 20:80 e 80:20 Técnica de AFM forneceu evidências físicas acerca da separação de microfases… …mas sem fornecer informações acerca das dimensões dos domínios de separação Small Angle X-ray Scattering (SAXS) O conhecimento adequado das dimensões destes domínios permitirá um maior esclarecimento no que se refere ao processo de libertação controlada de fármacos !!!

29 CONCLUSÕES E ESTUDOS RECENTES (2)
Comportamento em blocos para as composições 80:20 e 20:80 do copolímero CPH:SA A introdução de fármacos hidrofóbicos (p-nitroanilina) em polímeros relativamente hidrofóbicos (poli(SA)) causa uma diminuição nos valores de temperatura de fusão e no grau de cristalinidade, ou seja… … fármacos hidrofóbicos interagem com polímeros relativamente hidrofóbicos

30 CONCLUSÕES E ESTUDOS RECENTES (3)
Espectroscopia fotoelectrónica de raios X – XPS – para uma análise química mais detalhada das estruturas cujas microfases se separam Medições dos ângulos de contacto têm vindo a permitir uma quantificação dos graus de hidrofobicidade dos fármacos e dos polímeros

31 OBRIGADO

32 REFERENCIAS IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A.Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN doi: /goldbook. Last update: ; version: