Biobased polymeric nanoparticles from castor oil derivatives by admet and thiol-ene miniemulsion polymerizations

Abstract

Abstract : Renewable resources are earning special attention as substitutes for petroleum-based compounds, considering the future shortage of fossil supplies and also due to a sense of environmental awareness. In this context, biobased polymers obtained from vegetable oils are considered a promising "green" alternative to fossil-derived polymeric materials and present potential biodegradability and low toxicity, allowing their application for high value added and/or biomedical purposes. Acyclic Diene Metathesis (ADMET) and thiol-ene reactions appear as successful and versatile techniques to obtain high molecular weight polymers from renewable raw materials, enhancing the possibilities for the synthesis of vegetable oil-based polymers via chemical modifications. Additionally, besides avoiding the use of organic solvents, working with an environmentally friendly system, miniemulsion polymerization enables the production of polymeric nanoparticles with unique characteristics and vast commercial interest, with the possibility of using and/or incorporating water-insoluble compounds for a wide range of applications. Herein, it is reported the synthesis and characterization of biobased polymeric nanoparticles using a 100% renewable a,?-diene-diester monomer obtained by esterification reaction of 10-undecenoic acid (derived from castor oil) with 1,3-propanediol (derived from glycerol, which is also derived from castor oil). ADMET and thiol-ene polymerization reactions were successfully performed in miniemulsion and yielded polymers with weight average molecular weight up to 15 kDa (Mn), depending on different parameters and type of reactants (comonomers, surfactants, catalysts) employed. Then, the poly(thioether-ester) nanoparticles were modified by the oxidation of their sulfur atom to sulfoxide and sulfone groups, aiming the development of nanoparticles with high potential for the encapsulation and release of bioactive compounds. Lastly, results revealed that the synthesized poly(thioether-ester) nanoparticles derived from renewable resources did not present any cytotoxic effect on murine fibroblast (L929) and human cervical cancer (HeLa) cells and showed high blood biocompatibility, assuring their viability for biomedical applications.<br>

Recursos renováveis atraem crescente atenção como substitutos para matérias-primas derivadas do petróleo, considerando a futura escassez de fontes fósseis e também devido a um sentimento de consciência ambiental. Neste contexto, biopolímeros obtidos a partir de óleos vegetais são considerados uma promissora alternativa ecológica aos materiais poliméricos derivados de fontes fósseis, apresentando potencial biodegradabilidade e baixa toxicidade, permitindo sua aplicação para propósitos de alto valor agregado e/ou fins biomédicos. As reações de metátese de dienos acíclicos (ADMET) e tiol-eno aparecem como técnicas bem sucedidas e versáteis para a obtenção de polímeros de elevada massa molar derivados de matérias-primas renováveis, aumentando as possibilidades para a síntese de polímeros derivados de óleos vegetais a partir de modificações químicas. Além disso, a polimerização em miniemulsão é um sistema ambientalmente amigável, livre de solventes orgânicos e permite a produção de nanopartículas poliméricas com características únicas e de grande interesse comercial, com a possibilidade de utilização e/ou incorporação de compostos e compósitos insolúveis em água para uma vasta gama de aplicações, inclusive para fins biomédicos. A possibilidade da obtenção de polímeros em meio aquoso, cuja síntese tradicional é sensível à água, tais como poliésteres, é uma grande vantagem das reações de polimerização ADMET e tiol-eno em miniemulsão. Além disso, muitos outros tipos de materiais podem ser obtidos como, por exemplo, nanocompósitos, nanocápsulas e partículas híbridas. Como vantagem adicional, polímeros que contenham grupos éster na cadeia principal podem sofrer hidrólise, permitindo a sua degradação em ambiente fisiológico, fator de grande importância para aplicações biomédicas ou mesmo para a eliminação do material polimérico no meio ambiente. Dessa forma, o objetivo do presente trabalho foi a síntese e caracterização de nanopartículas poliméricas utilizando um monômero a,?-dieno-diéster 100% renovável, obtido através da reação de esterificação do ácido 10-undecenoico (derivado do óleo de mamona) com o 1,3-propanodiol (derivado do glicerol, que também é derivado do óleo de mamona). Reações de polimerização ADMET e tiol-eno em miniemulsão foram realizadas com sucesso e produziram polímeros com massa molar média de até 15 kDa (Mn), dependendo de diferentes parâmetros e do tipo de reagentes (comonômeros, surfactantes, catalisadores) utilizados. No estudo das reações ADMET, a grande área superficial da fase orgânica nas reações em miniemulsão provavelmente aumentou a remoção de etileno (subproduto) do meio reacional, favorecendo a reação ADMET e atingindo polímeros com massas molares maiores do que os polímeros obtidos por polimerização em massa. Através dos resultados obtidos, foi observado que o catalisador Umicore M2 e o surfactante não-iônico Lutensol AT80 formaram a combinação mais adequada para a realização de reações ADMET em miniemulsão. Quando reações tiol-eno foram realizadas em miniemulsão, três diferentes monômeros a,?-dienos (1,7-octadieno, 1,3-propileno dipenta-1-enoato e 1,3-propileno diundeca-10-enoato) e dois ditióis diferentes (1,4-butanoditiol e 2-mercaptoetil éter) foram testados e os resultados foram comparados. O iniciador AIBN apresentou uma concentração ideal (1 mol%) para a síntese de polímeros com massa molar mais elevada, diferente do comportamento esperado em polimerizações tradicionais via radicais livres. Em seguida, as nanopartículas de poli(tioéter-éster) obtidas foram modificadas através da oxidação do átomo de enxofre em grupos sulfóxido e sulfona, visando à obtenção de nanopartículas com elevado potencial para o encapsulamento e liberação de compostos bioativos. Análises de DLS (Espalhamento Dinâmico de Luz) e MET (Microscopia Eletrônica de Transmissão) asseguraram a estabilidade de tamanho/polidispersão e morfologia das nanopartículas mesmo após o processo de oxidação; análises de FTIR e TGA confirmaram a presença de grupos sulfóxido e sulfona após a oxidação. Por último, foram realizadas análises de biocompatibilidade das nanopartículas de poli(tioéter-éster) obtidas. Resultados revelaram que as nanopartículas de origem renovável não exibiram efeito citotóxico em células de fibroblasto murinho (L929) e câncer cervical humano (HeLa) e, além disso, apresentaram alta hemocompatibilidade, viabilizando futuras aplicações biomédicas como sistemas carreadores de fármacos.