Hydrogen Bonding-Driven Structural and Mechanical Regulation of Poly(ε-caprolactone)-Based Polyurethane with Poly(glycolic acid)

Resumo Técnico: Regulação Estrutural e Mecânica Impulsionada por Ligações de Hidrogênio em Poliuretano Baseado em Poli(ε-caprolactona) com Poli(ácido glicólico)

Problema
Os poliuretanos (PUs) baseados em poli(ε-caprolactona) (PCL) são biomateriais degradáveis promissores; no entanto, sua utilidade clínica em cenários de suporte de carga e gatilhos de temperatura corporal é limitada por duas restrições primárias: força mecânica e tenacidade relativamente baixas, e uma temperatura de transição de memória de forma (ponto de fusão, $T_m$) que é tipicamente em torno de 60°C, significativamente acima da temperatura do corpo humano (~37°C). As estratégias existentes frequentemente forçam um compromisso entre desempenho mecânico, biodegradabilidade e funcionalidade de memória de forma. Além disso, embora o poli(ácido glicólico) (PGA) seja um agente de reforço conhecido devido à sua capacidade de ligação de hidrogênio, sua incorporação sistemática como um co-macromolécula de diol junto ao PCL para ajustar simultaneamente a separação de microfases, as propriedades mecânicas e as temperaturas de transição não foi totalmente explorada.

Metodologia
O estudo empregou uma reação de policondensação em duas etapas para sintetizar uma série de poliuretanos (designados como xPUGA). A síntese utilizou:

• Segmentos Flexíveis (Soft Segments): Uma mistura de PCL diol ($M_n$ = 2000 g/mol) e PGA diol sintetizado ($M_n$ = 2000 g/mol) em várias proporções de peso (0%, 5%, 10% e 20% de PGA em relação ao PCL).
• Segmentos Rígidos (Hard Segments)/Extensores de Cadeia: Hexametileno diisocianato (HDI) e 1,4-butanodiol (BDO).
• Controle: Um PU puro contendo apenas PCL como segmento flexível.

Os materiais resultantes foram caracterizados por meio de:

• Análise Estrutural: $^1$H-NMR e FTIR (incluindo FTIR dependente de deformação in situ) para confirmar a estrutura química e monitorar as interações de ligação de hidrogênio.
• Morfologia: Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) e Espalhamento de Raios-X de Pequeno Ângulo (SAXS) para examinar a separação de microfases e os longos períodos.
• Propriedades Térmicas/Cristalinas: Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) e Difração de Raios-X de Grande Ângulo (WAXD) para avaliar o comportamento de cristalização, temperaturas de fusão e cristalinidade.
• Testes Mecânicos: Testes de tração para avaliar resistência, alongamento e tenacidade.
• Avaliação Funcional: Testes de ciclagem de memória de forma (razões de fixação e recuperação em várias temperaturas) e ensaios de citotoxicidade usando células MG-63 do tipo osteoblasto.

Principais Contribuições e Resultados
A incorporação de segmentos de PGA na matriz de poliuretano baseada em PCL resultou em melhorias sinérgicas no desempenho mecânico e na responsividade térmica:

1. Melhoria Mecânica: A formulação ótima, 10PUGA (contendo 10% de PGA), demonstrou propriedades mecânicas superiores em comparação ao PU puro. Ela alcançou uma resistência à tração de 54,1 MPa (um aumento de 205,6%), uma tenacidade de 329,0 MJ·m⁻³ (um aumento de 201,6%) e um alongamento na ruptura de 1389,0% (um aumento de 66,9%).
2. Regulação Térmica: A introdução de PGA reduziu a transição de fusão do segmento flexível de PCL de ~41°C (PU puro) para 37–39°C na série PUGA. Este deslocamento traz a temperatura de transição para próximo da temperatura do corpo humano, um pré-requisito crítico para aplicações de memória de forma acionadas pela temperatura corporal.
3. Desempenho de Memória de Forma: Todas as amostras de PUGA exibiram excelente fixação de forma ($R_f$) a 0°C (100%). Notavelmente, 5PUGA e 10PUGA mostraram razões de recuperação de forma ($R_r$) superiores a 98% a 35°C, superando o PU puro (83,1% a 35°C). A 45°C, todos os PUGAs atingiram razões de recuperação acima de 99%.
4. Biocompatibilidade: Testes de citotoxicidade confirmaram que todos os filmes suportaram a viabilidade celular de MG-63 acima de 90%, indicando ausência de citotoxicidade óbvia.

Mecanismo de Ação
O estudo atribui o fortalecimento e o endurecimento simultâneos a uma combinação de mecanismos revelados pela espectroscopia dependente de deformação e análise térmica:

• Ligações de Hidrogênio Reversíveis: Os segmentos de PGA introduzem abundantes grupos carbonila capazes de formar ligações de hidrogênio. Durante a deformação, a dissociação reversível dessas ligações de hidrogênio derivadas do PGA (junto com as ligações de uretano) atua como um mecanismo de dissipação de energia.
• Cristalização Induzida por Deformação: Os segmentos flexíveis de PCL passam por cristalização induzida por deformação durante o estiramento, contribuindo para a resistência do material.
• Melhoria na Transferência de Tensão: A incorporação de PGA altera a estrutura de separação de fases, reduzindo o longo período (de 13,5 nm no PU para 11–12 nm nos PUGAs) e aumentando a mistura interfacial. Isso facilita uma transferência de tensão mais eficaz entre as fases flexíveis e rígidas.

Significância
O artigo conclui que a incorporação covalente de segmentos de PGA fornece uma estratégia molecular simples para projetar poliuretanos degradáveis que integram alto desempenho mecânico com memória de forma responsiva à temperatura corporal. Ao aproveitar as interações de ligação de hidrogênio do PGA, o estudo abordou com sucesso os requisitos conflitantes de robustez mecânica e baixas temperaturas de transição em sistemas baseados em PCL. Os materiais resultantes, particularmente o 10PUGA, são apresentados como candidatos promissores para aplicações biomédicas que exigem integridade mecânica elevada e funcionalidade de memória de forma acionada em temperaturas fisiológicas, como em implantes de suporte de carga ou dispositivos cirúrgicos minimamente invasivos. Os autores também observam que a inclusão de PGA deve modular e acelerar a taxa de degradação do poliuretano, aumentando ainda mais sua utilidade em implantes biomédicos.