BR102012019947A2 - SUPERABSorbent HYDROGEL - Google Patents

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Agnieszaka Joanna Pawlicka Maule
Rodrigo Cesar Sabadini
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Univ Sao Paulo
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Abstract

HIDROGEL SUPERABSORVENTE. Esta invenção se refere à hidrogéis superabsorventes, os quais são obtidos a partir de reações de entrecruzamento de macromoléculas naturais, como goma gellan e quitosana. Os hidrogélis desenvolvidos apresentam elevada absorção de água e fluidos em sua estrutura tridimensional, sem que os polímeros sofram dissolução. Ainda, sua biocompatilidade com os tecidos humanos e com o meio ambiente, bem como sua biodegradabilidade, os tornam aplicáveis na área médica e agrícola.SUPERABSORVENT HYDROGEL. This invention relates to superabsorbent hydrogels, which are obtained from intercrossing reactions of natural macromolecules, such as gellan gum and chitosan. The developed hydrogels present high water and fluid absorption in their three-dimensional structure, without the polymers undergoing dissolution. In addition, their biocompatibility with human tissues and the environment, as well as their biodegradability, make them applicable in the medical and agricultural areas.

Description

HIDROGEL süperabsorvente Caxapo da. invenção:HYDROGEL süperabsorbent Caxapo da. invention:

Esta invenção se refere à hidrogéis superabsorventes, os quais são obtidos a partir de reações de entrecruzamento de macromoléculas naturais, como goma gellan e quitosana.This invention relates to superabsorbent hydrogels, which are obtained from crosslinking reactions of natural macromolecules such as gellan gum and chitosan.

Os hidrogéis desenvolvidos apresentam elevada absorção de água e fluidos em sua estrutura tridimensional, sem que os polímeros sofram dissolução.The developed hydrogels have high absorption of water and fluids in their three-dimensional structure, without the polymers undergoing dissolution.

Ainda, sua biocompatibilidade com os tecidos humanos e com o meio ambiente, bem como sua biodegradabilidade, os tornam aplicáveis na área médica e agrícola.Moreover, their biocompatibility with human tissues and the environment, as well as their biodegradability, make them applicable in medical and agricultural areas.

Funria-me*ntos da invenção:Amenity of the invention:

Polímeros sintéticos, ou seja, obtidos a partir dos constituintes do petróleo, são materiais de fácil moldagem, isolamento, baixo peso e facilidade de coloração.Synthetic polymers, ie obtained from petroleum constituents, are materials that are easy to mold, insulate, have low weight and are easy to color.

Devido às suas vantagens, os mesmos são utilizados nas indústrias, em substituição a materiais tradicionais como madeira, metal e cerâmica. Mais recentemente, em virtude da poluição pelo descarte de resíduos, polímeros e outras macromoléculas naturais têm sido investigados.Due to their advantages, they are used in industries to replace traditional materials such as wood, metal and ceramics. More recently, due to pollution from waste disposal, polymers and other natural macromolecules have been investigated.

Dentre os polímeros, existem macromoléculas as quais apresentam elevada absorção de água e possibilidade de formação de hidrogéis. Isso significa que, quando colocados em excesso de água, os polímeros incham rapidamente e conservam um grande volume de água em sua estrutura tridimensional sem sofrer dissolução.Among the polymers, there are macromolecules which present high water absorption and possibility of formation of hydrogels. This means that when placed in excess water, the polymers swell quickly and conserve a large volume of water in their three-dimensional structure without dissolving.

Além disso, hidrogéis são atóxicos e ainda apresentam a capacidade de intumescer em água e fluidos biológicos, de incorporação e liberação controlada de fármacos, além de consistência elastomérica, o que os torna interessantes para aplicações médicas.In addition, hydrogels are non-toxic and still have the ability to swell in water and biological fluids, incorporation and controlled release of drugs, and elastomeric consistency, which makes them interesting for medical applications.

Mais uma vantagem da maioria desses polímeros é a sua excelente propriedade de biocompatibilidade (com os tecidos humanos e o meio ambiente) e biodegradabilidade, podendo ser aplicados também na área agrícola.Another advantage of most of these polymers is their excellent biocompatibility property (with human tissues and the environment) and biodegradability, which can also be applied in the agricultural area.

Polissacarídeos solúveis em sistemas aquosos podem tornar-se insolúveis pela formação de hidrogéis via reação de entrecruzamento de cadeias com reagentes convenientes. Este entrecruzamento proporciona a formação de ligações químicas covalentes entre as cadeias ou apenas interações físicas entre as mesmas, como as forças van der Waals.Soluble polysaccharides in aqueous systems may become insoluble by the formation of hydrogels via chain crosslinking reaction with convenient reagents. This interlocking provides for the formation of covalent chemical bonds between the chains or just physical interactions between them, such as van der Waals forces.

Os hidrogéis podem ser intumescidos com água ou soluções aquosas de fármacos ou fertilizantes, mantendo a concentração do soluto em uma faixa considerada ótima, acima da qual este é desperdiçado (superdosagem) e abaixo da qual este é ineficaz, promovendo a liberação por tempo prolongado utilizando-se uma única dosagem ou aplicação.Hydrogels can be swollen with water or aqueous solutions of drugs or fertilizers, keeping the solute concentration within an optimal range, above which it is wasted (overdose) and below which it is ineffective, promoting extended release using a single dosage or application is given.

Os estudos de liberação controlada desenvolvidos para as substâncias farmacêuticas podem ainda ser utilizados para insumos agrícolas (como fertilizantes, nutrientes e herbicidas, dentre outros), contudo, tanto para substâncias quanto para meios de aplicação diferentes.Controlled release studies developed for pharmaceutical substances can still be used for agricultural inputs (such as fertilizers, nutrients and herbicides, among others), however, for both substances and different application media.

No meio agrícola, o sistema de liberação controlada aumenta a eficiência funcional do insumo sintético ou natural, diminuindo seus custos. Ainda, promove segurança no manuseio destes produtos, reduzindo os riscos de toxidez para o homem, bem como a contaminação ambiental.In the agricultural environment, the controlled release system increases the functional efficiency of synthetic or natural input, reducing its costs. It also promotes safety in the handling of these products, reducing the risks of toxicity to humans, as well as environmental contamination.

Para fins agrícolas, é necessário que os hidrogéis apresentem, além da biodegradabilidade, dimensões pequenas (escala milimétrica) para evitar variações significativas de volume do solo devido aos efeitos de contração/expansão.For agricultural purposes, hydrogels need to be small in addition to biodegradability, small (millimeter scale) to avoid significant variations in soil volume due to shrinkage / expansion effects.

A presença dos hidrogéis modifica propriedades físicas adversas do solo, como baixa capacidade de retenção de água e excessiva permeabilidade, uma vez que estes liberam água e nutrientes gradativamente, prolongando sua presença no solo, reduzindo as perdas por percolação e lixiviação de nutrientes e melhorando a aeração e drenagem do solo.The presence of hydrogels modifies adverse physical properties of the soil, such as low water retention capacity and excessive permeability, as they gradually release water and nutrients, prolonging their presence in the soil, reducing nutrient percolation and leaching losses and improving soil nutrient loss. aeration and soil drainage.

Atualmente, a maioria dos hidrogéis superabsorventes comercialmente disponíveis são poliacrilatos de sódio reticulado, resistentes ao ataque de micro-organismos, portanto não biodegradáveis. Ainda, por serem aplicados em produtos descartáveis, os mesmos podem ocasionar poluição ambiental.Currently, most commercially available superabsorbent hydrogels are cross-linked sodium polyacrylates, resistant to attack by microorganisms, and therefore not biodegradable. Also, because they are applied to disposable products, they can cause environmental pollution.

Redes interpenetrantes à base de látex para liberação lenta e autocontrolada de fertilizante são conhecidas do estado da técnica e foram obtidas pela deposição via spray- coating de uma camada de polímero de elevada massa molecular solúvel em água com propriedade de liberação controlada sobre a superfície de grânulo de fertilizante de carbamida ou seu complexo.Latex-based interpenetrating networks for slow, self-controlled fertilizer release are known from the state of the art and were obtained by spray-coating deposition of a water soluble high molecular weight polymer layer with controlled release property on the granule surface. of carbamide fertilizer or its complex.

Redes formadas de amido entrecruzável com mistura de outro amido são utilizadas como sistema de liberação de agentes farmacológicos, bem como nutrientes, vitaminas, aromatizantes, fertilizantes, herbicidas, inseticidas, fungicidas ou outros. 0 grau de intumescimento destas redes é quase nulo até a primeira ordem, dando boa propriedade protetiva para os agentes encapsulados, especialmente formando uma boa barreira contra o oxigênio.Nets formed from intercrossable starch mixed with another starch are used as a release system for pharmacological agents, as well as nutrients, vitamins, flavorings, fertilizers, herbicides, insecticides, fungicides or others. The degree of swelling of these nets is almost nil to the first order, giving good protective property to encapsulated agents, especially forming a good oxygen barrier.

Hidrogéis ainda encontram aplicação em uso cosmético, em que os agentes gelificantes são ligados por meio de ligações de hidrogênio intermolecular e ao menos um dos agentes é polissacarídeo, tal como goma gellan, goma xantana e gelatina ou polímeros sintéticos como poli(álcool vinílico), poli(vinil pirrolidona), carbômero e poli(vinil acetato).Hydrogels still find application in cosmetic use, wherein the gelling agents are bonded via intermolecular hydrogen bonds and at least one of the agents is polysaccharide, such as gellan gum, xanthan gum and gelatin or synthetic polymers such as polyvinyl alcohol, poly (vinyl pyrrolidone), carbomer and poly (vinyl acetate).

A presente invenção propõe a obtenção de hidrogéis superabsorventes a partir de reações de entrecruzamento de macromoléculas naturais, tais como goma gellan e quitosana.The present invention proposes to obtain superabsorbent hydrogels from crosslinking reactions of natural macromolecules such as gellan and chitosan.

Esses hidrogéis apresentam ótimas propriedades de retenção de água, evitando a perda das sustâncias químicas incorporadas por lixiviação, podendo, ainda, ser aplicados para o controle de umidade do solo.These hydrogels have excellent water retention properties, avoiding the loss of chemical substances incorporated by leaching and can also be applied for soil moisture control.

A goma gellan é um polissacarídeo aniônico de elevado peso molecular, constituído por unidades repetidas de β- 1,3-D-glicose, β-l,4-D-ácido glucorônico e a-1,4-L-ramnose em uma razão de 2:1:1. Este polímero é obtido através da fermentação da cultura da bactéria aeróbia, não patogênica Sphingomonas elodea.Gellan gum is a high molecular weight anionic polysaccharide consisting of repeated units of β-1,3-D-glucose, β-1,4-D-glucuronic acid and α-1,4-L-rhamnose in a ratio from 2: 1: 1. This polymer is obtained by fermentation of the non-pathogenic aerobic bacteria culture Sphingomonas elodea.

A goma gellan é comercialmente obtida em sua forma nativa, com alto teor de acetila, ou desacetilada, na qual aproximadamente metade dos resíduos de glucose possuem um substituinte acetato e um substituinte L-glicerato.Gellan gum is commercially obtained in its native, high acetyl or deacetylated form in which approximately half of the glucose residues have an acetate substituent and an L-glycerate substituent.

A presença do grupo acetato tem grande influência nas características do gel: enquanto a forma nativa origina géis macios, elásticos e sem brilho, a forma desacetilada gera géis firmes, duros, não elásticos e com alto brilho.The presence of the acetate group has a great influence on the gel characteristics: while the native form gives soft, elastic and dull gels, the deacetylated form generates firm, hard, non-elastic and high gloss gels.

A goma gellan tem recebido considerável atenção devido a sua propriedade de formar géis termo reversíveis, i.e., demonstrando propriedades reversíveis em processos de aquecimento (temperaturas acima de 80°C) e resfriamento. A gelificação ocorre pela formação de duplas hélices no sentido anti-horário, formando uma rede tridimensional devido à complexação com cátions e formação de ligações de hidrogênio com a água.Gellan gum has received considerable attention due to its property of forming heat reversible gels, i.e., demonstrating reversible properties in heating (temperatures above 80 ° C) and cooling processes. Gelation occurs by the formation of counterclockwise double helices, forming a three-dimensional network due to complexation with cations and formation of hydrogen bonds with water.

A interação eletrostática entre cátions e os grupos carboxilato contribui para a estabilização da dupla hélice, criando zonas de junção. A goma gellan ainda é capaz de formar géis estáveis termicamente até 120°C.The electrostatic interaction between cations and carboxylate groups contributes to the double helix stabilization, creating junction zones. The gellan gum is still capable of forming thermally stable gels up to 120 ° C.

Estudos demonstraram que redes poliméricas à base de goma gellan e escleroglucano para obtenção de matrizes para liberação de fármacos ou defensivos agrícolas apresentam perfis de liberação considerados bons. Redes de goma gellan com poli(álcool vinílico) - PVA - mostraram melhores propriedades mecânicas do que géis de goma gellan pura, sendo indicadas como ótimas redes interpenetrantes para preparação de microesferas de liberação de fármacos. Redes interpenetrantes de goma gellan e ágar apresentam heterogeneidade de sua estrutura e a escala da distância entre as suas cadeias comparável com o tamanho dos seus poros.Studies have shown that gellan and scleroglucan gum-based polymeric networks to obtain drug release matrices or pesticides have good release profiles. Polyvinyl alcohol gellan nets - PVA - showed better mechanical properties than pure gellan gels and are indicated as excellent interpenetrating nets for drug release microspheres preparation. Interpenetrating gellan and agar nets have heterogeneity in their structure and the scale of the distance between their chains comparable to the size of their pores.

A quitosana é obtida pela reação de N-desacetilação da quitina, principal constituinte de carapaças e exoesqueleto de crustáceos, em que no mínimo 50% dos grupos acetamida são convertidos em grupos amino. Do ponto de vista químico, ela é constituída por uma seqüência linear de açúcares monoméricos (N-acetilglicosamina) e apresenta-se na forma de um copolímero composto por unidades repetitivas de β- (l->4) -2-amino-2-desoxi-D-glicose unidas através de ligações glicosídicas, apresentando também resíduos não reagidos.Chitosan is obtained by the N-deacetylation reaction of chitin, the main constituent of shellfish and crustacean exoskeleton, in which at least 50% of the acetamide groups are converted to amino groups. From a chemical point of view, it consists of a linear sequence of monomeric sugars (N-acetylglycosamine) and is presented as a copolymer composed of repetitive units of β- (1-> 4) -2-amino-2- deoxy-D-glucose joined by glycosidic bonds, also having unreacted residues.

Hidrogéis de montagens interpenetrantes à base de quitosana e derivados carregados e não carregados de escleroglucano (polissacarídeo bacteriano) já foram obtidos a partir da mistura de soluções, sem adição de agentes entrecruzadores ou solventes orgânicos.Hydrogels from interpenetrating assemblies based on chitosan and charged and uncharged scleroglucan derivatives (bacterial polysaccharide) have already been obtained from the mixture of solutions without the addition of crosslinking agents or organic solvents.

Estado da técnica:State of the art:

Hidrogéis entrecruzados pela mistura de carboximetil quitosana (CMQ) com goma gellan oxidada em reação de base Shiff e complexação com íons de Ca2+ já são de conhecimento do estado da técnica. Esses hidrogéis mostraram módulo de elasticidade à compressão aumentada para 278 kPa e uma capacidade para voltar à forma original após a retirada do peso. As capacidades de inchamento e de degradação dependem do grau de oxidação de goma gellan e quantidade de CMQ utilizada na formação de redes.Hydrogels cross-linked by the mixture of carboxymethyl chitosan (CMQ) with oxidized gellan gum in Shiff base reaction and Ca2 + ion complexation are already known in the state of the art. These hydrogels showed an increased modulus of elasticity to 278 kPa and an ability to return to original shape after weight removal. Swelling and degradation capacities depend on the degree of oxidation of gellan gum and the amount of CMQ used in the formation of nets.

No documento de anterioridade US 8025696 B2, descreve- se sobre o uso associado de goma gellan e quitosana na obtenção de um menisco artificial para ser alocado entre as junções sujeitas a tensões mecânicas num organismo, por tempos prolongados.In US 8025696 B2, it is described about the associated use of gellan and chitosan gum in obtaining an artificial meniscus to be allocated between the junctions subject to mechanical stress in an organism for prolonged times.

O documento KR 2011/0027624 A descreve uma formulação de liberação controlada, contendo um polímero biodegradável do tipo polissacarídeo e um fertilizante em uma rede inorgânica de óxido de silício entrecruzada através de ligações covalentes.KR 2011/0027624 A describes a controlled release formulation containing a polysaccharide-type biodegradable polymer and a fertilizer in an inorganic crosslinked silicon oxide network through covalent bonds.

O documento US 2003/040435 Al descreve o recobrimento de grânulos de fertilizante por um polímero que possui grupos uretana ou ureia, de preferência obtido de solventes não orgânicos, que proporcione uma liberação controlada do fertilizante. O recobrimento não pode ser duro nem quebradiço e precisa evitar a aglutinação devido à estocagem, além de não apresentar viscosidade em temperatura superior a 25°C.US 2003/040435 A1 describes the coating of fertilizer granules by a polymer having urethane or urea groups, preferably obtained from non-organic solvents, which provides for controlled release of the fertilizer. The coating must not be hard or brittle and must avoid agglutination due to storage and must not have a viscosity above 25 ° C.

0 documento WO 02/15702 Al menciona um processo de produção de matriz biopolimérica para armazenagem e estabilização de materiais biológicos e biocompatíveis, para prolongar o tempo de seu armazenamento e evitar a degradação. 0 biopolimero é escolhido entre goma xantana, acácia, guar, gellan e o amido assim como suas combinações.WO 02/15702 A1 mentions a biopolymer matrix production process for storing and stabilizing biological and biocompatible materials to prolong their storage time and prevent degradation. The biopolymer is chosen from xanthan gum, acacia, guar, gellan and starch as well as combinations thereof.

0 documento WO 2009/021385 Al descreve o recobrimento de fertilizante com um polímero obtido do meio aquoso para sua liberação controlada. 0 polímero natural é disperso em água para gelificar e, em seguida, é misturado com a solução de polímero sintético aquoso.WO 2009/021385 A1 describes the coating of fertilizer with a polymer obtained from the aqueous medium for its controlled release. The natural polymer is dispersed in water to gel and is then mixed with the aqueous synthetic polymer solution.

Svaaario da invenção:Svaaario of the invention:

A presente invenção relata hidrogéis superabsorventes, os quais são obtidos a partir de reações de entrecruzamento de macromoléculas naturais, como goma gellan e quitosana, para aplicação no controle de umidade de solo e liberação controlada de fertilizantes.The present invention reports superabsorbent hydrogels, which are obtained from cross-breeding reactions of natural macromolecules such as gellan gum and chitosan for application in soil moisture control and controlled release of fertilizers.

Breve descrição das figuras:Brief description of the figures:

A figura 1 é uma representação química da rede polimérica entrecruzada formada por ligações iônicas e eletrostáticas entre a quitosana e a goma gellan.Figure 1 is a chemical representation of the cross-linked polymeric network formed by ionic and electrostatic bonds between chitosan and gellan gum.

A figura 2 é uma representação esquemática da rede polimérica com cadeias lineares de quitosana com a goma gellan com regiões de dupla hélice.Figure 2 is a schematic representation of the chitosan linear chain polymer network with the gellan gum with double helix regions.

A Figura 3 é uma representação em diagrama do processo de obtenção do hidrogel seco a partir da quitosana e da goma gellan.Figure 3 is a diagrammatic representation of the process of obtaining dry hydrogel from chitosan and gellan gum.

A Figura 4 é uma representação em diagrama do processo de incorporação do fertilizante no hidrogel seco obtido a partir da quitosana e da goma gellan.Figure 4 is a diagrammatic representation of the process of incorporating fertilizer into the dry hydrogel obtained from chitosan and gellan gum.

Descrição detalhada da invenção:Detailed Description of the Invention:

Os hidrogéis superabsorventes da presente invenção são obtidos a partir de soluções de polímeros naturais selecionados do grupo que consiste em quitosana, goma gellan e ácido algínico.The superabsorbent hydrogels of the present invention are obtained from natural polymer solutions selected from the group consisting of chitosan, gellan gum and alginic acid.

Obtenção das soluções:Obtaining the solutions:

- Solução de quitosana (CH):- Chitosan Solution (CH):

A solução é obtida pela dissolução de 1,0 g de quitosana com peso molecular médio GD 85% em 100 mL de ácido acético 2% (v/v).The solution is obtained by dissolving 1.0 g of 85% GD average molecular weight chitosan in 100 ml of 2% (v / v) acetic acid.

A mistura é mantida sob agitação magnética por 12 horas, sendo então filtrada para remoção de resíduos não dissolvidos.The mixture is kept under magnetic stirring for 12 hours and then filtered to remove undissolved residue.

- Solução de goma gellan (GG), que pode apresentar alto teor de acetila (GGHA) ou baixo teor de acetila (GGLA):- Gellan gum (GG) solution, which may have high acetyl content (GGHA) or low acetyl content (GGLA):

A solução é obtida pela dissolução de 1,0 g de goma gellan com elevada quantidade de grupos acila em 1,0 L de água deionizada Milli-Q. A mistura é mantida sob agitação magnética e temperatura constante de 80°C durante 2 horas.The solution is obtained by dissolving 1.0 g of high acyl group gellan gum in 1.0 L of Milli-Q deionized water. The mixture is kept under magnetic stirring and constant temperature of 80 ° C for 2 hours.

- Solução de ácido algínico (AL) :- Alginic acid (AL) solution:

A solução é obtida pela dissolução de 1,0 g de alginato de sódio em 100 mL de água deionizada Milli-Q, sob agitação magnética por 2 horas. Em seguida, adiciona-se ácido acético à solução até atingir pH aproximadamente 3 sob agitação magnética.The solution is obtained by dissolving 1.0 g of sodium alginate in 100 ml of Milli-Q deionized water under magnetic stirring for 2 hours. Then, acetic acid is added to the solution until it reaches approximately pH 3 under magnetic stirring.

Obtenção dos hidrogéis:Obtaining hydrogels:

Após o preparo das soluções, os hidrogéis são obtidos pela mistura de diferentes proporções das soluções, sob agitação, sendo elas:After preparation of the solutions, hydrogels are obtained by mixing different proportions of the solutions under agitation, as follows:

- GGHA-CH (1:4, 1:3, 1:2, 1:1, 2:1, 3:1 e 4:1);GGHA-CH (1: 4, 1: 3, 1: 2, 1: 1, 2: 1, 3: 1 and 4: 1);

- GGLA-CH (1:4, 1:3, 1:2, 1:1, 2:1, 3:1 e 4:1);GGLA-CH (1: 4, 1: 3, 1: 2, 1: 1, 2: 1, 3: 1 and 4: 1);

- AL-CH (3:1, 2:1 1:1); e- AL-CH (3: 1, 2: 1 1: 1); and

- GG-AL.- GG-AL.

0 processo de obtenção do hidrogel seco a partir da quitosana e da goma gellan está esquematicamente descrito na Figura 3.The process of obtaining the dried hydrogel from chitosan and gellan gum is schematically described in Figure 3.

Inicialmente, as soluções de quitosana e goma gellan são misturadas sob forte agitação mecânica por 4 a 6 horas e aquecimento.Initially, chitosan and gellan gum solutions are mixed under strong mechanical stirring for 4 to 6 hours and heating.

Em seguida, os hidrogéis são extensivamente lavados com I L de água e em seguida com 100 mL de etanol, sendo filtrados, entre as lavagens, usando manta TNT.The hydrogels are then extensively washed with 1 L of water and then with 100 mL of ethanol and filtered between washes using TNT blanket.

Por fim, o hidrogel obtido é seco em estufa a 40°C.Finally, the obtained hydrogel is oven dried at 40 ° C.

As figuras 1 e 2 representam, respectivamente, a rede polimérica entrecruzada formada entre a quitosana e a goma gellan.Figures 1 and 2 respectively represent the cross-linked polymeric web formed between chitosan and gellan gum.

A figura 1 mostra as ligações iônicas e eletrostáticas dos hidrogéis e a figura 2 é uma representação esquemática da rede polimérica em que os pontos de ligações iônicas estão indicados nos anéis com sinais de ( + ) e (-) e as regiões de intumescimento estão indicadas pelas cadeias poliméricas na forma de hélices.Figure 1 shows the ionic and electrostatic bonds of hydrogels and Figure 2 is a schematic representation of the polymeric network where the ionic bond points are indicated on the rings with (+) and (-) signs and the swelling regions are indicated. by the polymer chains in the form of propellers.

Testes realizados:Tests:

- Análise do grau de absorção de água:- Analysis of the degree of water absorption:

As medidas do grau de absorção de água foram feitas através de hidratação dos hidrogéis e sua pesagem.The measurements of the degree of water absorption were made through hydration of the hydrogels and their weighing.

Amostras de aproximadamente 0,1 g de gel seco são submersas em água à temperatura ambiente (25°C) por 1400 minutos.Samples of approximately 0.1 g of dry gel are submerged in water at room temperature (25 ° C) for 1400 minutes.

Em seguida, o gel hidratado é retirado da água e o excesso de água é escorrido. A amostra é pesada na balança analítica com precisão de 0,001 g e o grau de absorção (S) é calculado pela equação abaixo:Then the hydrated gel is removed from the water and excess water is drained. The sample is weighed on the analytical balance to within 0,001 g and the degree of absorption (S) is calculated by the equation below:

S = Whidratado ~ Wseco WsecoS = Hydrated ~ Wseco Wseco

Onde: WhIdratado = peso do gel hidratado Wseco = peso do gel seco.Where: WhIdrated = weight of hydrated gel Wseco = weight of dry gel.

A tabela 1 abaixo indica os valores de grau de absorção de água (S) para os hidrogéis de goma gellan nativa e quitosana (GGHA:CH) em diferentes proporções e em diferentes tempos de imersão em água.Table 1 below indicates the water absorption grade (S) values for native gellan and chitosan gum hydrogels (GGHA: CH) in different proportions and at different water immersion times.

Tabela I: Grau de absorção de água (S) em função do tempo de imersão na água (cinética de absorção de água) para os hidrogéis de goma gellan nativa e quitosana (GGHA:CH)Table I: Degree of water absorption (S) as a function of water immersion time (water absorption kinetics) for native gellan and chitosan gum hydrogels (GGHA: CH)

Tempo GGHA: CH 4:1 3:1 2:1 1:1 1:2 1:3 1:4 15 67, 71 56, 85 49, 56 45, 17 41,25 33, 16 28,26 25 105,40 85,12 65,23 63, 87 54, 63 34,26 31, 66 60 137,10 101,47 72,24 74, 60 62, 52 37, 75 35, 40 120 150,92 120,15 88,81 80, 61 66, 84 39, 02 38,29 180 170,01 134,69 103,48 84, 66 72, 36 47,78 41, 62 240 171,59 140,74 109,12 90, 27 82, 98 52, 03 45, 07 1320 219,70 173,12 126,46 108,56 98,18 78, 62 71,39 Os resultados mostram que a absorção de água aumentaGGHA Time: CH 4: 1 3: 1 2: 1 1: 1 1: 2 1: 3 1: 4 15 67, 71 56, 85 49, 56 45, 17 41.25 33, 16 28.26 25 105, 40 85.12 65.23 63, 87 54, 63 34.26 31, 66 60 137.10 10.47 72.24 74, 60 62, 52 37, 75 35, 40 120 150.92 120.15 88, 81 80, 61 66, 84 39, 02 38.29 180 170.01 134.69 103.48 84, 66 72, 36 47.78 41, 62 240 171.59 140.74 109.12 90, 27 82, 98 52, 03 45, 07 1320 219.70 173.12 126.46 108.56 98.18 78, 62 71.39 The results show that water absorption increases

com o tempo de imersão dos hidrogéis na água. Os maioreswith the time of immersion of hydrogels in water. The biggest

valores de absorção de água foram obtidos para a amostra composta de GGHA:CH na proporção de 4:1. Ainda, observou-se que tempos superiores a 1320 min. de imersão em água não promovem maior absorção da mesma.Water absorption values were obtained for the 4: 1 GGHA: CH composite sample. Still, it was observed that times greater than 1320 min. immersion in water do not promote greater absorption of water.

A tabela 2 abaixo indica os valores de grau de absorção de água (S) para os hidrogéis de goma gellan nativa e quitosana (GGHA:CH) em diferentes proporções.Table 2 below indicates the water absorption grade (S) values for native gellan and chitosan gum hydrogels (GGHA: CH) in different proportions.

Tabela 2: Grau de absorção de água (S) para os hidrogéis de goma gellan nativa e quitosana (GGHA:CH)Table 2: Degree of water absorption (S) for native gellan and chitosan gum hydrogels (GGHA: CH)

GGHA: CH S pH =3 pH=7 pH=12 4:1 177,10 219 159,12 3:1 137,67 173 122,89 2:1 103,68 126 87,45 1:1 84, 54 108 76,15 1:2 77, 57 98 66, 72 1:3 63, 96 78 54, 37 1:4 60, 11 71 50,22 Os maiores valores de absorção de água foram obtidos em pHs 3, 7 e 12, para redes compreendendo GGHA: CH em proporção 4:1.GGHA: CH S pH = 3 pH = 7 pH = 12 4: 1 177.10 219 159.12 3: 1 137.67 173 122.89 2: 1 103.68 126 87.45 1: 1 84, 54 108 76.15 1: 2 77, 57 98 66, 72 1: 3 63, 96 78 54, 37 1: 4 60, 11 71 50.22 The highest water absorption values were obtained at pHs 3, 7 and 12, for networks comprising GGHA: CH in 4: 1 ratio.

A diminuição da quantidade de goma gellan nas redes provoca a diminuição da capacidade de absorção de água. É possivel observar que uma maior absorção de água ocorre em pH neutro (7); em pH ácido (3) e básico (12), a absorção de água é menor do que em pH neutro (7), sendo comparável entre eles.Decreasing the amount of gellan gum in the nets causes a decrease in water absorption capacity. It is possible to observe that a greater absorption of water occurs at neutral pH (7); at acidic (3) and basic (12) pH, water absorption is lower than at neutral (7), and is comparable between them.

- Liberação de fertilizante:- Fertilizer release:

0 processo de incorporação do fertilizante no hidrogel seco obtido a partir da quitosana e da goma gellan está esquematicamente descrito na figura 4.The process of incorporating the fertilizer into the dry hydrogel obtained from chitosan and gellan gum is schematically described in Figure 4.

O hidrogel seco, obtido a partir das soluções de goma gellan e quitosana é entumescido com uma solução de fertilizante MPK por 24 horas a temperatura ambiente.EmThe dried hydrogel obtained from gellan and chitosan gum solutions is swollen with an MPK fertilizer solution for 24 hours at room temperature.

oThe

seguida, o hidrogel é seco em estufa a 40 C, obtendo-se assim, um hidrogel seco de rede de quitosana e goma gellan com fertilizante.The hydrogel is then oven dried at 40 ° C, thus obtaining a dry hydrogel of chitosan mesh and gellan gum with fertilizer.

Para avaliar o grau de liberação do fertilizante fosfato mono potássico (KH2PO4; MPK), este foi dissolvido em água deionizada Milli-Q, formando soluções de 1 e 4 g/L.To assess the degree of release of the mono potassium phosphate fertilizer (KH2PO4; MPK), it was dissolved in Milli-Q deionized water, forming 1 and 4 g / L solutions.

Os hidrogéis apresentando diferentes composições foram submersos por 24 horas nessas soluções e, em seguida, foram secos no dessecador e/ou estufa a 40°C.The hydrogels having different compositions were submerged for 24 hours in these solutions and then dried in the desiccator and / or oven at 40 ° C.

As amostras secas foram então imersas na água e as condutividades foram medidas com condutivímetro (Hanna HI- 2550-01) a cada 10 minutos.The dried samples were then immersed in water and the conductivities were measured with a conductivity meter (Hanna HI-2550-01) every 10 minutes.

No sentido de comparação dos valores de liberação doIn the sense of comparing the release values of the

fertilizante obtidos para as diferentes amostras, os mesmos foram normalizados por massa da rede polimérica. Em outras palavras, uma maior massa de hidrogel absorve mais água e, por isso, os valores devem ser divididos pela massa de hidrogel.fertilizers obtained for the different samples, they were normalized by mass of the polymer network. In other words, a larger mass of hydrogel absorbs more water and therefore the values must be divided by the hydrogel mass.

A tabela 3 abaixo indica os valores de liberação de fertilizante fosfato mono potássico (MPK) em água para os géis GGHA:CH.Table 3 below indicates the release values of mono potassium phosphate (MPK) fertilizer in water for GGHA: CH gels.

Tabela 3: Liberação de fertilizante MPK em água para hidrogéis de goma gellan nativa e quitosana (GGHA:CH)Table 3: Release of MPK fertilizer in water for native gellan and chitosan gum hydrogels (GGHA: CH)

intumescidos nas diferentes soluções de MPKswollen in different MPK solutions

GGHA:CH em solução de MPK/água (g/L) 1:1 em 1 g/L 1:1 em 4 g/L 1:3 em 1 g/L 3:1 em 4 g/L Tempo Liberação Tempo Liberação Tempo Liberação Tempo Liberação (min) de MKP (min) de MKP (min) de MKP (min) de MKP (mg/g (mg/g (mg/g (mg/g polímero) polimero) polimero) polímero) 1 56, 8 2 143, 7 1 CO 1 36, 9 MD CNl 5 206, 6 9 230, 1 6 82, 9 5 149,1 17 210, 4 13 256,2 19 148, 0 13 195, 6 27 234, 5 21 274, 7 28 174, 1 22 251, 9 41 238, 3 27 288,4 39 197, 9 29 276, 2 56 241,4 30 304, 4 45 208, 3 36 303, 5 84 243,7 35 324, 9 55 215,40619 47 338,04253 109 245, 3 43 325, 9 65 225, 9 56 346, 3 129 248,0 49 331, 8 76 234, 6 65 364, 7 141 250, 1 56 339, 2 OO 238, 8 73 372, 9 OO 175 252, 4 73 339, 4 116 245, 5 91 376,1 190 254, 1 77 340, 8 137 249, 9 105 392, 5 210 256,2 88 344, 7 148 251, 4 130 395,1 1220 262, 6 99 355, 2 159 255, 8 142 399, 0 110 353, 5 170 260, 4 155 401, 6 118 361, 8 183 264, 5 172 405, 5 138 365, 2 196 275, 0 184 406, 8 166 367, 8 199 280,1 199 409,3 184 370, 6 204 283,0 212 411,9 212 374, 0 208 283,7 1234 417, 1 230 375, 0 229 288,1 238 375, 2 242 289,1 252 375, 2 267 288, 7 1212 382, 7 1312 296, 5 Por meio dos dados obtidos, observa-se que a liberação ocorre em 200 min. e é influenciada pela concentração do fertilizante utilizado do que pela composição/proporção GGHA:CH do hidrogel. - Parâmetros de rede:GGHA: CH in MPK / Water Solution (g / L) 1: 1 in 1 g / L 1: 1 in 4 g / L 1: 3 in 1 g / L 3: 1 in 4 g / L Release Time Release Time Release Time Release Time (min) MKP (min) MKP (min) MKP (min) MKP (mg / g (mg / g (mg / g (mg / g polymer) polymer) polymer) polymer) 1 56 , 8 2 143, 7 1 CO 1 36, 9 MD CN 1 5 206, 6 9 230, 1 6 82, 9 5 149.1 17 210, 4 13 256.2 19 148, 0 13 195, 6 27 234, 5 21 274, 7 28 174, 1 22 251, 9 41 238, 3 27 288.4 39 197, 9 29 276, 2 56 241.4 30 304, 4 45 208, 3 36 303, 5 84 243,7 35 324 , 9 55 215,40619 47 338,04253 109 245, 3 43 325, 9 65 225, 9 56 346, 3 1 29 248.0 49 331, 8 76 234, 6 65 364, 7 141 250, 1 56 339, 2 O 238, 8 73,372, 9 175 175 252, 4 73 339, 4 116 245, 5 91 376,1 190 254, 1 77 340, 8 137 249, 9 105 392, 5 210 256,2 88 344, 7 148 251, 4 130 395,1 1220 262, 6 99 355, 2 159 255, 8 142 399, 0 110 353, 5,170,260, 4,155,401, 6,118,361, 8,183,264, 5,172,405, 5,138,365, 2,196,275, 0,184,406, 8,166,367, 8,199,280,199,409,347,370, 6,204 283.0 212 411.9 212 374, 0 208 283.7 1234 417, 1 230 375, 0 229 288.1 238 375, 2 242 289.1 252 375, 2 267 288, 7 1212 382, 7 1312 296, 5 Through the obtained data, it is observed that the release occurs in 200 min. and is influenced by the concentration of the fertilizer used than by the composition / ratio GGHA: CH of the hydrogel. - Network Parameters:

Para avaliar a estrutura entrecruzada dos hidrogéis, calculou-se a densidade entre entrecruzamentos (dx) pela equação abaixo:To evaluate the interspersed structure of hydrogels, the density between intersections (dx) was calculated by the equation below:

dx = 1 vMcdx = 1 vMc

Onde: v = volume especifico do polímero Mc = massa molecular média entre entrecruzamentos.Where: v = specific volume of polymer Mc = average molecular mass between intersections.

A massa molecular média entre entrecruzamentos foi extensamente estudada por Flory, representada pela equação de Flory-Rehner abaixo:The average molecular mass between intersections was extensively studied by Flory, represented by the Flory-Rehner equation below:

Mc = -Pp V5 Vr 1/3Mc = -Pp V5 Vr 1/3

[In(I-Vr) + Vr + xVr2][In (I-Vr) + Vr + xVr2]

Onde: pp = densidade do polímero Vs = volume molar do solvente Vr = fração em volume do polímero χ = parâmetro de Flory-Hoggins A fração em volume do polímero é calculada por meio da equação:Where: pp = polymer density Vs = solvent molar volume Vr = polymer volume fraction χ = Flory-Hoggins parameter The polymer volume fraction is calculated from the equation:

Vr = [1 + Pp Ma + Pp ] 1 Ps Mb Ps Onde: ps = densidade do solvente Ma = massa do polímero hidratado Mb = massa do polímero seco O parâmetro de Flory-Hoggins é calculado por meio da equação:Vr = [1 + Pp Ma + Pp] 1 Ps Mb Ps Where: ps = solvent density Ma = hydrated polymer mass Mb = dry polymer mass The Flory-Hoggins parameter is calculated using the equation:

X — VS (^tpol — Stsol)X - VS (^ tpol - Stsol)

RTRT

Onde: Vs = volume molar do solvente Stpoi = parâmetro solubilidade do polímero ôtsoi = parâmetro solubilidade do solvente A tabela 4 abaixo indica os valores de densidade (dx) e massa molecular média entre entrecruzamentos (Mc) , bem como a fração em volume do polímero (Vr) para os hidrogéis de goma gellan nativa e quitosana (GGHArCH) em diferentes proporções.Where: Vs = solvent molar volume Stpoi = polymer solubility parameter ôtsoi = solvent solubility parameter Table 4 below shows the density (dx) and average molecular mass between crossings (Mc) values, as well as the polymer volume fraction (Vr) for native gellan and chitosan gum hydrogels (GGHArCH) in different proportions.

Tabela 4: Valores de Vr, Mc e dx para os hidrogéis de gomaTable 4: Vr, Mc and dx values for gum hydrogels

gellan nativa e quitosana (GGHA:CH)native gellan and chitosan (GGHA: CH)

GGHA: CH dx (IO-4) Mc <103) «< H O I ω 4:1 1, 07 18, 7 6,4 3:1 2,56 7,8 8,2 2:1 4, 35 4,6 11,1 1:1 5, 55 3, 6 13, 0 1:2 6, 45 3,1 14, 3 1:3 9, 52 2,1 17, 8 1:4 11,1 1,8 19, 6 Os dados obtidos indicam que os hidrogéis de GGHArCH que apresentam maior quantidade de GGHA (4:1, por exemplo) têm menor número de entrecruzamentos, logo, maior Mc e menor d*.GGHA: CH dx (IO-4) Mc <103) «<HOI> 4: 1 1, 07 18, 7 6.4 3: 1 2.56 7.8 8.2 2: 1 4, 35 4.6 11.1 1: 15.53 3, 6 13.0 1: 26 6.45 3.1 14, 3 1: 39 9, 52 2.1 17, 8 1: 4 11.1 1.8 19, 6 The data obtained indicate that GGHArCH hydrogels with higher GGHA content (4: 1, for example) have a smaller number of cross-breeds, therefore, larger Mc and lower d *.

De acordo com os resultados obtidos, fica claro que os hidrogéis apresentam ótimas propriedades de retenção de água, evitando a perda das sustâncias químicas incorporadas por lixiviação, podendo ser aplicados no controle da umidade do solo.According to the results obtained, it is clear that hydrogels have excellent water retention properties, avoiding the loss of chemical substances incorporated by leaching and can be applied to soil moisture control.

Claims (6)

1. Hidrogel superabsorvente caracterizado pelo fato de compreender redes de polímeros naturais entrecruzadas entre si, em que os polímeros naturais são macromoléculas de goma gellan, quitosana e ácido algínico.1. A superabsorbent hydrogel characterized by the fact that it comprises intercrossing natural polymer networks in which the natural polymers are gellan, chitosan and alginic acid macromolecules. 2. Hidrogel superabsorvente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as redes de polímeros naturais são formadas a partir da mistura de soluções de goma gellan, quitosana e ácido algínico.Superabsorbent hydrogel according to claim 1, characterized in that the natural polymer networks are formed from the mixture of gellan, chitosan and alginic acid solutions. 3. Hidrogel superabsorvente, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as soluções de polímeros naturais são misturadas em proporções que variam de 1:4 a 4:1.Superabsorbent hydrogel according to either claim 1 or claim 2, characterized in that the natural polymer solutions are mixed in ratios ranging from 1: 4 to 4: 1. 4. Hidrogel superabsorvente, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende, preferencialmente, goma gellan nativa e quitosana em uma proporção de 1:4 a 4:1.Superabsorbent hydrogel according to either claim 1 or claim 2, characterized in that it preferably comprises native gellan and chitosan in a ratio of 1: 4 to 4: 1. 5. Hidrogel superabsorvente, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o grau de absorção de água (S) para o hidrogel de goma gellan nativa e quitosana variam entre 20 e 300.Superabsorbent hydrogel according to Claim 4, characterized in that the degree of water absorption (S) for the native gellan and chitosan gum hydrogel ranges from 20 to 300. 6. Hidrogel superabsorvente, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que um fertilizante pode ser incorporado ao hidrogel por meio de imersão.Superabsorbent hydrogel according to Claim 4, characterized in that a fertilizer can be incorporated into the hydrogel by immersion.
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