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Jun 26, 2023

Um método simples para a produção de hidrogéis macroporosos 3D de grande volume para aplicações biotecnológicas, médicas e ambientais avançadas

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 21154 (2016) Citar este artigo 12k Acessos 89 Citações 5 Detalhes de métricas altmétricas O desenvolvimento de polímeros macroporosos tridimensionais (3D) em massa

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 21154 (2016) Citar este artigo

12 mil acessos

89 citações

5 Altmétrico

Detalhes das métricas

O desenvolvimento de polímeros macroporosos a granel, tridimensionais (3D), com alta permeabilidade, grande área superficial e grande volume é altamente desejável para uma gama de aplicações nas áreas biomédica, biotecnológica e ambiental. As técnicas experimentais utilizadas atualmente estão limitadas à produção de material criogel de pequeno tamanho e volume. Neste trabalho propomos um método novo, versátil, simples e reprodutível para a síntese de hidrogéis poliméricos porosos de grande volume por criogelação. Ao controlar o processo de congelamento da solução reagente/polímero, foram sintetizados géis macroporosos 3D em grande escala com poros largos interconectados (até 200 μm de diâmetro) e grande área de superfície acessível. Pela primeira vez, foram fabricados géis macroporosos (de até 400 ml de volume aparente) com estrutura porosa controlada, com potencial de escala até dimensões de gel muito maiores. Este método pode ser usado para a produção de novos materiais compósitos macroporosos multicomponentes 3D com uma distribuição uniforme de partículas incorporadas. O método proposto proporciona um melhor controle das condições de congelamento e, assim, supera as desvantagens existentes que limitam a produção de grandes dispositivos e matrizes à base de gel. O método proposto poderia servir como um novo conceito de design para géis macroporosos 3D funcionais e preparação de compósitos para aplicações biomédicas, biotecnológicas e ambientais.

Géis poliméricos macroporosos têm sido utilizados em uma ampla gama de aplicações, incluindo engenharia de tecidos, como estruturas celulares, em biorreatores, materiais para separações biológicas e químicas e como adsorventes em aplicações biomédicas e ambientais. A porosidade em géis pode ser criada por diferentes abordagens: separação de fases1 utilizando os chamados porógenos (aditivos químicos que geram poros), liofilização2,3, via formação de espuma e via criogelação4,5. Este último método é uma das técnicas mais versáteis utilizadas nas últimas décadas para moldar a estrutura porosa de géis poliméricos . A tecnologia é simples; normalmente requer apenas um ciclo de congelamento-descongelamento da solução reagente/polímero e permite a produção de materiais de morfologia, propriedades mecânicas e permeabilidade variadas8,9. A técnica é mais amiga do ambiente do que as técnicas alternativas, uma vez que o solvente mais comum utilizado é a água e não há necessidade de utilizar solventes orgânicos para remover o modelo de formação de poros. O polímero poroso é formado em condições semicongeladas quando a maior parte do solvente é solidificada, formando cristais de solvente em temperaturas abaixo do ponto normal de congelamento, com a polimerização ocorrendo nos canais intercristalinos contendo solução descongelada. O aumento da temperatura após a conclusão da polimerização leva ao descongelamento dos cristais do solvente e à formação de vazios interligados (macroporos) na estrutura do polímero preenchida com o solvente. Particular interesse surgiu devido à alta permeabilidade (e consequentemente baixa resistência ao fluxo) dos géis preparados a partir de soluções aquosas e à sua capacidade de filtrar micro e macropartículas sem entupimento e bloqueio de poros . Isso abre a oportunidade de projetar dispositivos para separação de células e biopartículas10,11,12,13, perfusão sanguínea direta14, engenharia de tecidos15,16,17,18,19,20, tratamento de água21,22,23 e biorreatores24,25,26. Apesar do uso generalizado da técnica de criogelação para produção de gel macroporoso, o fenômeno de congelamento da solução reagente inicial e formação de cristais de solvente não é totalmente compreendido. Embora algum progresso tenha sido feito no controle do tamanho do cristal do solvente em amostras pequenas, variando a temperatura de resfriamento e a taxa de resfriamento ou composição da mistura de reagentes, para produzir estruturas com gradientes de poros e poros anisotrópicos, há uma dificuldade reconhecida em controlar a nucleação do gelo e, conseqüentemente, a cinética de congelamento e as condições de formação de cristais de gelo, na maior parte das amostras maiores. Isto leva a um mau controle da morfologia dos géis macroporosos resultantes, particularmente em estruturas 3D maiores. Na verdade, todo o trabalho realizado até agora foi feito em laboratório e em pequena escala. Os géis produzidos até o momento são pequenos em tamanho (alguns mililitros em volume, ou com pelo menos uma dimensão pequena (cerca de 2 cm ou menos)) ou têm distribuição variável de tamanho de poros na amostra. Para separação em larga escala ou aplicações de engenharia/biotecnologia, é necessário um método simples e reprodutível para a preparação de géis macroporosos de grande volume com melhor controle da estrutura e permeabilidade dos poros. Outra limitação refere-se à fabricação de grandes materiais compósitos macroporosos com nano e micropartículas incorporadas em uma matriz permeável 3D. A densidade das soluções precursoras aquosas utilizadas para a formação de gel através do método de criogelação é geralmente muito baixa, garantindo assim uma distribuição uniforme de nanopartículas ou micropartículas densas em géis apresenta particular dificuldade. As partículas se separam durante o processo de congelamento, o que resulta na falha total do compósito ou na formação de géis macroporosos com distribuição desigual de partículas8. Este artigo estuda o congelamento de sistemas de gel e a relação entre as condições de congelamento e a morfologia do gel formado. A transferência de calor na maior parte das amostras grandes é avaliada e é proposto um novo método que envolve o pré-congelamento de um grande volume da solução reagente antes do início da formação do gel. Pela primeira vez demonstramos a produção de amostras e compósitos de gel macroporoso de grande volume (400 ml ou superior) com controle eficaz e reprodutível da estrutura porosa. Esta abordagem abre novas oportunidades para a produção de géis de grande volume para separação avançada, adsorção ou aplicações estruturais e na geração de novas estruturas 3D com micro e nanopartículas incorporadas.