Desenvolvimento de filmes de hidrogel à base de gelatina e PVA contendo óleos essenciais de lavanda e de pinus para aplicação como curativo

Abstract

O desenvolvimento de filmes de hidrogel para aplicações biomédicas é interessante devido às suas características, como biocompatibilidade e capacidade de absorver exsudatos dos ferimentos. Os filmes de hidrogel à base de gelatina e poli(álcool vinílico) (PVA) foram desenvolvidos por casting e reticulados por luz ultravioleta (UV-A). Utilizou-se um delineamento composto central rotacional para obter a formulação ideal de filme de hidrogel. A metodologia da superfície de resposta foi utilizada para avaliar a influência das variáveis independentes (concentração de gelatina, concentração de PVA e dose de UV) nas variáveis de resposta (espessura, resistência à tração, módulo de Young, elongação, intumescimento, fluxo de permeação de vapor de água e fração de gel). Os filmes obtidos foram caracterizados e otimizados em função das variáveis de resposta. A função desejabilidade do software Statistica® foi utilizada para obter a formulação controle (obtida pelo planejamento experimental), com 5 % (m/m) de gelatina, 4 % (m/m) de PVA e exposta a 153 J cm-2 de radiação ultravioleta. Tanto a formulação controle, quanto a formulação otimizada (submetida a uma dose de radiação UV de 2592 J cm-2) foram caracterizadas pela cinética de intumescimento, permeabilidade ao oxigênio, TGA, DSC e DRX. Os resultados do delineamento experimental mostraram que as concentrações de gelatina e PVA têm influência significativa nas variáveis de resposta e as doses de exposição à luz UV não apresentaram efeito significativo. A formulação controle do filme de hidrogel foi intumescente (65 %), elástica (146 %), apresentou boa resistência mecânica (3,40 MPa) e foi permeável ao oxigênio (28 cm3 mm m-2 dia-1 kPa-1), mas a permeação de vapor de água (112 g d-1 m-2) e a fração de gel (26 %) foram baixas. A formulação otimizada apresentou maior fração de gel (46 %) conforme era desejado ao aumentar a dose de radiação UV. Para as propriedades mecânicas e de barreira ao vapor de água não foram identificadas diferenças significativas entre a amostra controle e a otimizada. O intumescimento da formulação otimizada foi menor (54 %), devido à maior reticulação das cadeias poliméricas. Os óleos essenciais de lavanda (OEL) e de pinheiro silvestre (OEP), nas concentrações de 0,5; 1 e 2 % (m/v), foram adicionados ao filme de hidrogel otimizado visando conferir propriedades antibacterianas ao filme e torná-lo ativo. Os filmes contendo óleos essenciais foram caracterizados pelas mesmas propriedades avaliadas para os filmes de hidrogel controle e otimizado, além de morfologia e propriedades antibacterianas. Os resultados das análises físicas mostraram que a espessura e a fração de gel não foram influenciadas pela adição dos óleos essenciais. A análise das propriedades de barreira revelou que a incorporação de OEL causou um aumento na permeabilidade ao oxigênio e a incorporação de ambos os óleos causou um aumento na permeabilidade ao vapor de água e no fluxo de permeação de vapor de água. Por outro lado, as propriedades mecânicas foram reduzidas após a incorporação de óleos essenciais. No entanto, os valores obtidos para essas propriedades estão de acordo com os recomendados para aplicação como curativo. As análises térmicas mostraram que os filmes de hidrogel, independentemente da adição de óleos essenciais, possuem boa estabilidade térmica. As imagens de MEV demonstraram que algumas mudanças físicas ocorreram na estrutura dos filmes de hidrogel após a adição dos óleos essenciais, o que pode estar causando as diferenças observadas nas propriedades avaliadas. Em relação à atividade antibacteriana, todos os filmes de hidrogel contendo OEP apresentaram ação contra Staphylococcus aureus (Gram-positiva) e observou-se uma redução no crescimento da Escherichia coli (Gram-negativa) com o aumento da concentração de OEP. As amostras contendo OEL aparentemente têm ação antibacteriana mais fraca do que aquela apresentada pelos filmes contendo OEP. Os resultados obtidos neste estudo mostram que os filmes de hidrogel desenvolvidos, principalmente aqueles contendo óleo essencial de pinheiro, têm potencial para uso em aplicações biomédicas.

The development of hydrogel films for biomedical applications is interesting because of their major characteristics, such as biocompatibility and capacity of absorbing wound exudates. Hydrogel films based on gelatin and polyvinyl alcohol (PVA) were developed by casting and crosslinked by ultraviolet light (UV-A). Rotatable central composite design was made to obtain the optimal hydrogel film formulation. The methodology of response surface was used to evaluate the influence of the independent variables (gelatin concentration, PVA concentration and UV dose) on the response variables (thickness, tensile strength, Young's modulus, elongation, swelling, water vapor permeation flux, and gel fraction). The obtained films were characterized and optimized in function of the response variables. The desirability function of Statistica® software was used to obtain the control formulation (obtained by experimental design), with 5 % (w/w) of gelatin, 4 % (w/w) of PVA and 153 J cm-2 of ultraviolet irradiation. Both the control and the optimized (subjected to a dose of UV radiation of 2592 J cm-2) formulations were characterized by swelling kinetics, oxygen permeability, adhesiveness, TGA, DSC and XRD. Results of the experimental design showed that gelatin and PVA concentrations has a significant influence on the response variables, and the doses of exposure to UV light had no significant effect. The hydrogel film control formulation was intumescent (65 %), elastic (146 %), and had good mechanical resistance (3.40 MPa), was permeable to oxygen (28 cm3 mm m-2 day-1 kPa-1), but the water vapor permeation (112 g d-1 m-2) and gel fraction (26 %) were low. The optimized formulation showed a higher gel fraction (46%) as desired when increasing the dose of UV irradiation. No significant differences were identified between the control and the optimized sample for the mechanical properties and water vapor barrier. The swelling of the optimized formulation was lower (54%), due to the greater crosslinking of polymer chains. Lavender (LEO) and pine (PEO) essential oils at concentrations of 0.5, 1, and 2 % (w/v) were added to the optimized hydrogel film aiming to give antibacterial properties to the film and make it an active film. Films containing essential oils were characterized by the same properties evaluated for the control and optimized hydrogel films, in addition to morphology and antibacterial properties. Results of physical analysis evidenced that thickness and gel fraction were not influenced by essential oils addition. Analysis of barrier properties revealed that the incorporation of LEO caused an augment in oxygen permeability and the incorporation of both essential oils caused an augment in water vapor permeability and water vapor permeation flux. On the other hand, mechanical properties were reduced after essential oils incorporation. However, the results obtained for these properties agree with the recommendation for wound dressing application. Thermal analysis showed that the hydrogel films presented good thermal stability regardless of the essential oils added. SEM images showed some changes in the physical structure of hydrogel films after essential oils addition, which may be causing the observed differences in the evaluated properties. Regarding antibacterial properties, all hydrogel films containing PEO presented antibacterial action against Staphylococcus aureus (Gram-positive) and it was observed a reduction in the growth of Escherichia coli (Gramnegative) as the PEO concentration increased. Samples containing LEO apparently has weaker antibacterial action than that containing PEO. Results obtained in this study show that the developed hydrogel films, mainly those containing pine essential oil, have the potential to be used in biomedical applications.