Análisis Sol/Gel de  hidrogeles de Copolimeros de Poli (Metacrilato de 2- Hidroxietilo -CO- Acrilamida) obtenidos mediante Radiaciones  Gamma

Manuel Rapado¹ , Daniel Concepción¹ , Dionisio Zaldivar², Angel Manzurt³ , Sonia Altanés¹ y Januz M. Rosiak⁴ . 

1 Centro de Estudios Tecnológicos y Desarrollo Nuclear. Calle 30 # 502 e/5ta y 7ma, Miramar. Playa. C. Habana , Cuba. CP 6122: E-Mail rapado@ceaden.edu.cu.

2 Centro de Biomateriales Universidad de La Habana.Cuba.

3 Universidad Autónoma Metropolitana IZT. México D.F.

4 Instituto de Química de las Radiaciones Aplicada. Lodz, Polonia.

Resumen

    En el presente trabajo se reporta el proceso de formación de geles durante la irradiación gamma de soluciones acuosas de metacrilato de 2 hidroxietilo y acrilamida. El análisis sol/gel del copolímero irradiado permitió estimar importantes parámetros del proceso de irradiación como son: la dosis de gelificación y virtual, las densidades de degradación y reticulación; y los rendimientos químico radiolíticos de la degradación y reticulación, de acuerdo con la ecuación modificada de Charlesby- Rosiak. La correlación de los parámetros antes mencionados permite preparar geles con una estructura apropiada para su uso como sistemas de liberación controlada de fármacos.

Palabras clave: Reticulación, polímeros, hidrogeles, dosis de radiación.

Gel analysis of hydrogels from poly 2-hydroxyethyl methacrilate -Co - acrylamide copolymers obtained by gamma radiation

  Abstract

        The formation of gels during gamma irradiation of aqueous solutions of 2- hydroxyethyl methacrilate and acrylamide is reported. Sol/Gel analysis of irradiated polymer was carried out and allowed to estimate important radiation parameters as gelation dose, virtual dose, degradation and crosslinking densities, yield of crosslinking and degradation of copolymer according with a modified Charlesby-Rosiak equation. The degree of copolymer conversion as a function of the absorbed dose of irradiation is presented. These parameters can be correlated with some physical and chemical properties of polymeric network formation and this way is able to design and prepare gels with the desired structure suitable as a drug delivery system.

Keywords: Cross-linking; swelling; polymers; hydrogels; radiation doses.

Introducción

    Cuando los polímeros son sometidos a las radiaciones ionizantes los principales efectos químicos observados son la reticulación y la ruptura de la cadena principal. Si predomina el entrecruzamiento sobre la degradación, finalmente, ocurrirá la formación del gel insoluble. La capacidad del polímero para reticular al exponerse a las radiaciones es frecuentemente representada por un valor G (rendimiento químico radiolítico), el cual representa el número de unidades entrecruzadas o degradadas por cada 100 eV de energía absorbida[1].

    Charlesby y Pinner[2], fueron los primeros en obtener una expresión matemática simple que relaciona la fracción sol (s) con la dosis absorbida (D) cuando la distribución de pesos moleculares es la más probable (M w /M n ) = 2:

Fórmula 01

donde: po es la densidad de degradación (promedio del número de cadenas escisionadas por unidad de monómero y por unidad de dosis), qo la densidad de entrecruzamiento (proporción de unidad de cadenas monoméricas reticuladas por unidad de dosis), u_2,0 es el grado de polimerización promedio en peso.

    El método para la determinación del G, basado en el cambio del peso molecular antes de alcanzar el punto de gelificación, así como los basados en el análisis sol/gel; para cualquier distribución de peso molecular de acuerdo a la derivación de Charlesby, requieren del conocimiento del peso molecular antes de la irradiación[3]. Muchos autores han encontrado desviaciones en las curvas de "Sol-Dosis" para la línea recta predicha por la fórmula de Charlesby. Ellos plantean que ese no es el efecto estructural del polímero, y sí más bien la desviación de la distribución del peso molecular más probable (DM W ).

    El objetivo del presente trabajo consistió en evaluar parámetros cuantitativos de hidrogeles en base a copolímeros de poli(metacrilato de 2-hidroxietilo-co-acrilamida) a través de un test de solubilidad, utilizando los cálculos basados en la teoría de la reticulación de Charlesby modificada por Rosiak y Olejniczak.

    Los procesos de formación de los hidrogeles inducidos por medio de la radiación gamma llevan implícito dos efectos esenciales; la polimerización de monómeros y el entrecruzamiento creado en el polímero, debido principalmente, al resultado de la recombinación mutua de los macrorradicales, los cuales se forman principalmente por iniciación con los productos intermedios de la radiólisis del agua (efecto indirecto de las radiaciones ) y otras especies reactivas como iones y radicales libres de los monómeros de partida (efecto directo de las radiaciones ) . La irradiación de las soluciones acuosas de los monómeros acrilamida y metacrilato de 2- hidroxietilo conllevan a la formación de una estructura reticulada (hidrogel ) , cuyo proceso se puede explicar a través del siguiente esquema:

Diagrama 1. Mecanismo de formación de un hidrogel inducido por las radiaciones ionizantes.

Materiales y Métodos

Reactivos. 

    Los monómeros de partida fueron la acrilamida de la firma BDH laboratory reagents, de pureza 98.5 % y el metacrilato de 2-hidroxietio (HEMA) de pureza 99.8 % de la firma Fluka; los cuales fueron utilizados sin previa purificación.

Síntesis.

    La síntesis de estos hidrogeles poliméricos se representa de forma simplificada según la siguiente ecuación 1:

Ecuación 1

    En la que soluciones acuosas de metacrilato de 2-hidroxietilo (60 %) y acrilamida (40 %), colocadas en tubos de vidrio pyrex de 1.7 cm de diámetro y 10 cm de longitud, fueron sellados en presencia del oxígeno de la atmósfera. Posteriormente se irradiaron a diferentes dosis (1, 2; 3; 5; 15; 25; 35 y 50 kGy) respectivamente, la temperatura durante el experimento fue de 25 o C. La irradiación se llevó a cabo en una instalación de irradiación del tipo MPX- g -30 con fuentes radioisotópicas de cobalto 60 y un volumen de la cámara de irradiación de 4,4 L. El proceso fue controlado empleando los sistemas dosimétricos Fricke y cérico –ceroso según Prieto y Col .[4,5].

Test de solubilidad. 

    Las muestras se colocaron en erlemmeyers con 50 ml de agua destilada y agitación en zaranda termostatada (Gallenkamp) a 40^oC durante 48 horas; cambiando el agua cada 4 horas. Las muestras fueron secadas en una estufa de vacío marca (SPT-200) a la temperatura de 40°C, hasta llevarlas a peso constante. Las mediciones gravimétricas se realizaron en una balanza analítica de marca Sartorius. Los datos se procesaron por medio de un programa computarizado basado en la teoría de la reticulación de Charlesby modificada por Rosiak y Olejniczak según programa elaborado en el Instituto de Química de las Radiaciones Aplicadas en La Universidad de Lodz, el cual está basado en el siguiente tratamiento matemático:

    Para sistemas en los cuales la polimerización y el entrecruzamiento ocurren simultáneamente y el peso molecular del polímero es desconocido, se han hecho modificaciones de la fórmula general de Charlesby (ecuación No1), por Inotuki[6] y Saito[7] para polímeros cuya distribución de pesos moleculares responde a los tipos de distribución de Schulz-Zimm y Wesslau respectivamente, sin embargo, para estas modificaciones, tampoco es posible calcular G con exactitud.

    Con tal que la distribución del peso molecular inicial sea del tipo más probable, es decir Mw,o = 2 Mn,o ; debe existir una relación lineal entre s + s½ y el recíproco de la dosis (1/D) según lo propuso Charlesby.

    La ecuación (1) puede ser escrita de la forma:

Formula 02.

    La dosis requerida para alcanzar el punto de gelificación se designa como (Dg) y la densidad de entrecruzamiento debido a cualquier dosis alta (D) es expresada en términos de coeficiente de reticulación[8] ( d ) relativo a D y Dg.

Formula 03.

    Si se grafica la dependencia de s + s 1/2 en función de 1/D ó Dg / D es posible obtener el cociente Gs/2Gc por extrapolación, en la ordenada y establecer el lugar donde solamente ocurre el entrecruzamiento del polímero. Rosiak y Col [9], propusieron una nueva fórmula general, la cual permite graficar la relación entre la fracción sol y la dosis absorbida en una línea recta:

Formula 04.

donde Dv es la dosis virtual. Esta es la dosis requerida para caracterizar la desviación de la distribución de pesos moleculares más probables de los polímeros irradiados bajo estudio, en tal sentido en que la amplitud de la distribución entre Mw/Mn sea igual a 2.

    La determinación de la Dv para el polímero bajo estudio tiene diferentes variantes y una de estas, se emplea cuando los datos no son lo suficientemente precisos (mediante el empleo de técnicas gravimétricas ), según el programa antes mencionado se puede obtener una mejor aproximación a la línea recta en coordenadas modificadas debido a la ecuación 4. Esta vía da una aproximación de Dv, Dg, po/qo y Gs/Gc sobre la base de las variables (s y D ) , medidas durante el análisis sol-gel.

Resultados y Discución

    La irradiación de las soluciones acuosas de los monómeros acrilamida y metacrilato de 2-hidroxietio conducen a un aumento de la viscosidad del medio, conllevando a la formación del copolímero, y después de sobrepasar un determinado valor de la dosis absorbida a la aparición de un gel insoluble, con la consecuente formación de una estructura reticulada (hidrogel) ver Fig. 1.

Figura 1. Fotografía del xerogel (a la izquierda) y del hidrogel hinchado en el equilibrio (a la derecha).

La Fig. 2 muestra la dependencia del % de conversión en función de la dosis absorbida.

Figura 2. Variación del % de conversión en dependencia de la dosis absorbida.

    De forma general este tipo de sistemas polimeriza por un mecanismo radicálico. Como se puede observar, con el incremento de la energía absorbida el grado de conversión se incrementa hasta el 90% aproximadamente. Según la figura 2 casi toda la mezcla de alimentación habrá copolimerizado en un intervalo de dosis entre 1 y 15 kGy, evidenciándose un alto grado de conversión en la formación de este copolímero.

    La fracción sol se calculó a través de la ecuación:

Formula 05

Formula 06

    En la Fig. 3 se representa la relación entre la fracción soluble y la dosis absorbida, en esta dependencia aparecen los resultados de los ajustes de ambas ecuaciones (eq. 2 y 4) para determinar la dosis de gelificación. Como se observa, el valor de la dosis de gelificación se extrapola a partir de las asíntotas de ambas curvas, las cuales se diferencian en el orden de las décimas de grey. De forma general se observa un mejor ajuste de acuerdo con la ecuación modificada de Charlesby-Rosiak. El ajuste según la ecuación de Charlesby y Pinner ofrece un valor de Dg inferior, debido a que en esta ecuación no se toma en consideración la dosis virtual.

Figura 3. Dependencia de la fracción sol en función de la dosis absorbida.

    Como se observa la primera fracción de gel se forma a partir de la dosis absorbida de 1,55 kGy lo que significa que el copolímero comienza a reticular a dosis relativamente bajas.

    Tomando en este análisis, la ecuación 4, de donde se grafican los resultados de los valores de la fracción sol s+s 1/2 en función de Dg+Dv) / (D+Dv) como se muestra en la Fig.4 se obtiene una línea recta cuyo intercepto es

Figura 4. Dependencia de s+s 1/2 en función de (Dg+Dv) / (D+Dv) según la ecuación de Charalesby y col.

p 0 /q 0 el cual brinda la relación de los valores de densidades de degradación y entrecruzamiento respectivamente. Estas magnitudes dependen de forma general la constitución química del polímero. El valor del intercepto po/qo, es de 0,70. En los trabajos revisados [9,10,11,12], este valor oscila entre 0 y 0.96 para otros tipos de polímeros formados por polimerización radioinducida, lo que indica que siempre existe la probabilidad de que el sistema pueda reticular y degradar simultáneamente.

    La dosis virtual (D v ) se puede determinar a partir de la expresión de Rosiak y col[8]como la relación del intercepto sobre la pendiente si se grafica 1/(s+s 1/2 -po/qo) en función de la dosis absorbida, en este estudio el programa computarizado brinda directamente el valor de D v al introducirle los datos de la fracción gel y la dosis absorbida que tiene como fundamento la ecuación modificada.

Formula 07

    Para dosis bajas el comportamiento de la gelificación es muy parecido al de otros poliacrilatos reportados por Schults y Col [13]. En todos estos casos se observa una cierta desviación, la que se corrige con la introducción de la dosis virtual, que considera la formación del copolímero, la cual está conectada con algunas condiciones del proceso de reticulación como son: la formación del entrecruzamiento al azar y el grado de cristalinidad si existiera algún tipo de ordenamiento.

    Resultados preliminares [14], han mostrado, que para las dosis mayores que 50 kGy, en estos hidrogeles se observa una disminución de la fracción gel, este efecto[15], se debe probablemente a que a tales dosis, la matriz polimérica comienza a degradarse, asumiendo el efecto directo de las radiaciones ionizantes sobre la cadena principal del copolímero o bien de algunos enlaces de laterales y ramificaciones.

    Hasta aquí, el estudio de los parámetros determinados a través del análisis sol/gel, se pueden resumir en la tabla 1.

Tabla 1 Parámetros de la evaluación cuantitativa del análisis sol /gel

    El valor negativo de la dosis virtual (-0.77) indica que el sistema tiene un rango de distribución de pesos moleculares menor que dos [3], lo que resulta en una curva convexa hacia abajo si se gráfica el modelo propuesto por Charlesby- Rosiak ( s+s ½ vs 1/D) como aparece en la Fig. 5.

Figura 5. Dependencia del contenido la fracción soluble en función de 1/D.

    El valor de la dosis de gelificación refleja el momento en el cual comienza a reticular el sistema (1.55 kGy), este valor permite estimar el coeficiente de reticulación ( d ) en función de la variación de la dosis absorbida, ver Fig. 6.

Figura 6. Dependencia del coeficiente de reticulación en función de la dosis absorbida. 

    Como se observa, el coeficiente de reticulación aumenta linealmente con el incremento de la dosis absorbida, este resultado obedece al predominio del entrecruzamiento. El efecto antes mencionado, se evidencia por la magnitud de la relación p 0 /q 0 igual a 0,70; cuyo valor, da la medida de que el número de cadenas entrecruzadas es superior al número de cadenas degradadas para el rango de dosis estudiado, por lo que el efecto de rupturas de cadena en el sistema bajo estudio es de menor importancia.

Conclusiones

    Se evaluaron a través de un test de solubilidad, basado en la teoría de la reticulación de Charlesby y Rosiak, con ayuda de un programa computarizado, algunos parámetros cuantitativos de la copolimerización y reticulación simultáneas como fueron: la dosis virtual, la dosis de gelificación, el coeficiente de entrecruzamiento y los rendimientos químico radiolíticos para las relaciones entre cadenas degradadas y reticuladas. Los resultados experimentales mostraron una buena correlación lo que indica que el sistema estudiado se ajusta a la ecuación Charlesby modificada por Rosiak y colaboradores, la cual describe el proceso de formación del gel adecuadamente.

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