Desenvolvimento de filmes nanoestruturados pela técnica de layer-by-layer para controle da cinética de liberação proteica

Abstract

Resumo: O desenvolvimento de um novo sistema de liberação de fármacos com base em membranas de celulose bacteriana (CB) revestidas com filmes nanoestruturados é apresentado. Neste trabalho, foi realizada a deposição de múltiplas camadas dos biopolímeros quitosana e alginato pela técnica de Layer-by-Layer (LbL) sobre membranas de CB modificadas quimicamente por carboxilação com o reagente 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxil (TEMPO). O processo de alteração da estrutura química das cadeias de celulose foi confirmado por análises de infravermelho e espectroscopia fotoeletrônica de raios X, ao passo que o estudo da interação da membrana modificada frente aos polímeros foi efetuado com o auxílio de filmes ultrafinos: modelos de CB modificados com reagente TEMPO foram submetidos ao processo de LbL sob acompanhamento em tempo real de microbalança de cristal de quartzo e elipsometria. Os ensaios revelaram que a superfície carboxilada é capaz de adsorver uma quantidade maior da camada inicial de quitosana (-105±1,5 Hz/ 14,1±0,8 nm) em comparação à interface de CB (-6,0±0,2 Hz/ 11,0±2,4 nm), além de permitir a formação de multicamadas mais espessas e com maior massa, comprovando que a modificação química lhe confere maior afinidade em relação aos polímeros. A deposição polimérica foi efetuada sobre as membranas por duas metodologias distintas de LbL, imersão e spray, e subsequentemente avaliadas por microscopia de força atômica e fluorescência confocal à laser. Os resultados exibiram a presença de pequenos agregados nodulares para a amostra nebulizada e uma deposição mais homogênea e regular para a membrana imersa nas soluções poliméricas, porém em ambas as amostras a adsorção ocorre sobre a superfície das fibras que compõe a membrana. Assim, é possível observar que a organização e arquitetura molecular diferem de acordo com a forma de interação, gerando recobrimentos com diferentes morfologias. Na última etapa do trabalho avaliou-se a capacidade da membrana modificada em interagir com a proteína fator de crescimento epidermal (EGF) através de adsorção em meio estático e liberá-la a partir de sistemas revestidos pelas metodologias de spray e imersão, compreendidas na técnica de LbL. Os resultados exibiram uma incorporação de 10,3±0,7% em 24 horas, revelando que a membrana apresenta uma grande capacidade de imobilização do EGF por um período de tempo prolongado de até 96 horas. Os ensaios de liberação exibiram uma liberação gradual da proteína em até 30 horas, de maneira que o grupo controle apresentou a liberação de mais de 85% do total incorporado, ao passo que as amostras revestidas atingiram um máximo de 25% no mesmo período de tempo avaliado. Portanto, um sistema capaz de carrear a proteína EGF e, simultaneamente, efetuar interações de natureza eletrostática com polímeros carregados opostamente foi descrito. O sistema gerado apresenta a capacidade de controlar a liberação do fármaco incorporado por um período prolongado de até 30 horas, apresentando grande utilidade para tratamento de queimaduras e processos de cicatrização.

Abstract: The development of a new drug delivery system based on bacterial cellulose (BC) membranes coated with nanostructured films is reported. In this work we introduce a multilayer deposition of chitosan and alginate by the Layer-by-Layer (LbL) technique on modified BC membranes by carboxylation with 2,2,6,6- tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) radical. Cellulose modification was confirmed by infrared analysis and X-ray photoelectron spectroscopy, whereas the evaluation of polymer interaction towards the modified membrane was performed with ultrathin films: TEMPO modified BC model films were submitted to LbL and the process was followed in real time by crystal quartz microbalance and ellipsometry, revealing that the carboxylated surface adsorbs an increased amount of chitosan as the first layer (- 105±1.5 Hz/ 14.1±0.8 nm) in comparison with BC interface (-6.0±0.2 Hz/ 11.0±2.4 nm), apart from enabling the build-up of greater and thicker multilayers that testifies the enhanced interaction provided by the chemical modification. LbL deposition onto membranes was performed by two distinct methodologies, dipping and spray, subsequently analyzed by atomic force microscopy and confocal laser scanning microscopy that revealed the presence of nodular aggregates for the sprayed sample, where a more regular and flat deposition for dipped samples though polymer adsorption occurs exclusively on top of membrane fibers. Therefore, it is possible to observe different molecular architectures and organizations degrees by LbL methodology, each leading to a flatter or greater deposition. In the last part of this work, we studied the modified membrane ability to interact with the protein epidermal growth factor (EGF) trough adsorption in a static medium and release through systems coated by the LbL technique of spray and dipping. Results exhibited the immobilization of approximately 10.3±0.7% of protein uptake in a prolonged period of time until 96 hours. Protein releasing experiments revealed a gradual protein release until the period of 30 hours. The control group lost more than 85% of total incorporated protein, while the coated samples reached a maximum release of 25% in the same time interval. Therefore we describe an EGF delivery system able to simultaneously interact with oppositely charged polyelectrolytes and releasing it in a sustainable manner that presents great applicability for burning and wound treatments.