Desenvolvimento de uma matriz polimérica a base de alginato extraído de algas pardas (Sargassum cymosum C. Agardh) e enriquecida com ácido ascórbico para impressão 3D

Abstract

Matrizes poliméricas podem ser elaboradas utilizando polissacarídeos, como o alginato, que é proveniente de algas pardas. Devido sua capacidade de formar géis na presença de íons catiônicos, como o cloreto de cálcio, o alginato possui diversas aplicações, como componente para formulação de hidrogéis para impressão 3D. No entanto, matrizes poliméricas formuladas apenas com alginato não apresentam propriedades viscoelásticas necessárias para a impressão 3D. Portanto, o objetivo da pesquisa foi o desenvolvimento de uma matriz polimérica empregando alginato nativo (extraído de alga Sargassum cymosum C. Agardh) ou alginato comercial, ágar, para encapsulação de compostos bioativos. Devido às importantes propriedades do ácido ascórbico como, por exemplo, forte agente antioxidante, este biocomposto foi incorporado no hidrogel visando obter uma na matriz polimérica funcional. A comparação entre as formulações foi avaliada através de análises reológicas, estruturais (Transformada de Fourier no Ifravermelho-FTIR), printabilidade das matrizes poliméricas, análise mecânica (textura das cubos pós impressão e após reidratação) e cinética de liberaçãodo ácido ascórbico das estruturas cúbicas 3D. Inicialmente, foi avaliado o efeito da concentração de alginato comercial (SAC) (2, 3 e 4%), ágar (AG) (2, 2,5 e 3%) e cloreto de cálcio (25 e 50 mM) sobre as propriedades reológicas. Todas as formulações apresentaram comportamento pseudoplástico, recuperação rápida, com aumento da resistência e rigidez do gel com aumento de AG. A partir desses resultados foi selecionada a formulação com 2% SAC, 3% AG e 50 mM de CaCl2 para ser enriquecida com 1% (p/v) de ácido ascórbico (AA) e o alginato comercial (SAC) substituído pelo nativo (SAN). A análise reológica da formulação com SAN mostrou recuperação mais rápida e gel mais rígido do que o SAC, porém levemente menos resistente. A avaliação da printabilidade foi conduzida com a formulação SAC enriquecida, a fim de determinar as melhores condições para impressão de estruturas cúbicas (15 mm) empregando diferentes velocidades de impressão (2, 5 e 10 mm/s) e diâmetros de agulha (1,2 e 1,6 mm). Nas maiores velocidades de impressão, as estruturas impressas apresentaram-se amorfas (com a agulha de 1,6 mm de diâmetro) ou com falhas (com a agulha de 1,2 mm). Na menor velocidade (2 mm/s), ambos diâmetros de agulhas imprimiram satisfatoriamente as estruturas cúbicas, com menor tempo de impressão com a agulha de maior diâmetro (1,6 mm). Nestas melhores condições de impressão (agulha de 1,6 mm e velocidade de 2 mm/s), as formulações elaboradas com os diferentes alginatos (SAC e SAN), 3% AG, 50 mM de CaCl2 e enriquecidas com AA, foram empregadas para impressão das estruturas cúbicas, as quais apresentaram ótima precisão (97,7% para SAC e 97,4% para SAN) e estabilidade (70,2% para SAC e 73,4% para SAN) mesmo após liofilização. O FTIR mostrou que a adição de AA aumentou a intensidade dos picos para a formulação SAC, com a formação de novos picos para a SAN, indicando interação com o AA. A formulação com SAN liberou mais AA da estrutura cúbica em menor tempo, porém a SAC atingiu maior liberação em 6h e, após esse período, ambas diminuíram a quantidade do biocomposto, provavelmente devido a degradação do ácido ascórbico. Os parâmetros de textura (dureza, coesividade, gomosidade e mastigabilidade) dos cubos SAN, após impressos ou reidratados (SAN RI), foram significativamente superiores em comparação com o SAC e SAC RI, respectivamente. A gomosidade e mastigabilidade dos cubos SAN reidratados (SAN RI) não diferiram dos cubos SAC, enquanto que a elasticidade não diferiu entre os cubos estudados. Adesividade dos cubos formulados com SAC diferiram significativamente dos outros (SAN, SAC RI e SAN RI). Por fim, o processo de liofilização e reidratação resultou na diminuição da dureza para ambos os tipos de alginato e aumento da coesividade.

Polymeric matrices can be developed using polysaccharides such as alginate, which is derived from brown algae. Due to its ability to form gels in the presence of cationic ions such as calcium chloride, alginate has various applications, including as a component in the formulation of hydrogels for 3D printing. However, polymeric matrices formulated solely with alginate do not exhibit the viscoelastic properties required for 3D printing. Therefore, the objective of this research was to develop a polymeric matrix using native alginate (extracted from the alga Sargassum cymosum C. Agardh) or commercial alginate, along with agar, for the encapsulation of bioactive compounds. Given the important properties of ascorbic acid, such as its strong antioxidant activity, this biocompound was incorporated into the hydrogel to obtain a functional polymeric matrix. The comparison between the formulations was evaluated through rheological analyses, structural analyses (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR), printability of the polymeric matrices, mechanical analysis (texture of the printed cubes and after rehydration), and release kinetics of ascorbic acid from the 3D cubic structures. Initially, the effect of the concentration of commercial alginate (SAC) (2, 3, and 4%), agar (AG) (2, 2.5, and 3%), and calcium chloride (25 and 50 mM) on the rheological properties was evaluated. All formulations showed pseudoplastic behavior, rapid recovery, and increased gel strength and stiffness with increasing AG concentration. Based on these results, the formulation with 2% SAC, 3% AG, and 50 mM CaCl₂ was selected to be enriched with 1% (w/v) ascorbic acid (AA), and the commercial alginate (SAC) was replaced by the native alginate (SAN). The rheological analysis of the SAN formulation showed faster recovery and a stiffer gel than SAC, although slightly less resistant. The printability evaluation was conducted using the enriched SAC formulation to determine the best conditions for printing cubic structures (15 mm) using different printing speeds (2, 5, and 10 mm/s) and needle diameters (1.2 and 1.6 mm). At higher printing speeds, the printed structures appeared amorphous (with the 1.6 mm needle) or defective (with the 1.2 mm needle). At the lowest speed (2 mm/s), both needle diameters successfully printed cubic structures, with shorter printing time achieved using the larger diameter needle (1.6 mm). Under these optimal printing conditions (1.6 mm needle and 2 mm/s speed), formulations prepared with different alginates (SAC and SAN), 3% AG, 50 mM CaCl₂, and enriched with AA were used to print the cubic structures, which showed excellent precision (97.7% for SAC and 97.4% for SAN) and stability (70.2% for SAC and 73.4% for SAN), even after lyophilization. FTIR analysis showed that the addition of AA increased the intensity of the peaks for the SAC formulation and resulted in new peaks for SAN, indicating interaction with AA. The SAN formulation released more AA from the cubic structure in less time, although SAC achieved greater total release within 6 hours. After this period, both formulations showed a decrease in the amount of biocompound, likely due to ascorbic acid degradation. The texture parameters (hardness, cohesiveness, gumminess, and chewiness) of the SAN cubes, both printed and rehydrated (SAN RI), were significantly higher compared to SAC and SAC RI, respectively. The gumminess and chewiness of the rehydrated SAN cubes (SAN RI) did not differ from those of SAC cubes, while elasticity did not differ among the studied cubes. The adhesiveness of SAC-formulated cubes differed significantly from the others (SAN, SAC RI, and SAN RI). Finally, the lyophilization and rehydration process resulted in decreased hardness for both types of alginate and increased cohesiveness.