O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Strontium Calcium Phosphate Nanotubes as Bioinspired Building Blocks for Bone Regeneration. Camila B. Tovani, Tamires M. Oliveira, Mariana P. R. Soares, Nadine Nassif, Sandra Y. Fukada, Pietro Ciancaglini, Alexandre Gloter, and Ana P. Ramos. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 39, 43422–43434. doi.org/10.1021/acsami.0c12434.

Estratégia biomimética para síntese de nanotubos que estimulam a regeneração óssea

Dizem os especialistas que, até o momento, não há nada melhor do que um osso natural para ajudar a regenerar outro osso natural. De fato, apesar dos enormes avanços na área de biomateriais, ainda não existe um material sintético que funcione tão bem quanto o autógeno (osso extraído do próprio paciente) para incentivar a regeneração de tecido ósseo – processo que ocorre em nosso organismo de forma constante e espontânea, mas que se faz necessário estimular mediante a implantação de enxertos quando sofremos perdas ósseas notórias devido a traumatismos ou doenças. Nesse processo, a unidade básica de formação dos ossos é a fibrila de colágeno mineralizada, um cilindro de colágeno formado por um grupo de células chamadas osteoblastos, que é recheado e revestido por fosfatos de cálcio durante a chamada “biomineralização”.

Um trabalho realizado por pesquisadores do Brasil junto a colaboradores da França deu um importante passo nesse contexto. Usando uma estratégia inspirada na natureza, a equipe científica conseguiu produzir no laboratório um material muito semelhante, em formato, tamanho e estrutura, às fibrilas de colágeno mineralizadas. Nesta pesquisa, não foi necessário utilizar estruturas de colágeno, que é uma proteína cara e difícil de se manusear. Em vez disso, os cientistas produziram tubos de cerca de 200 nm de diâmetro, muito parecidos às fibrilas, porém compostos por cristais de fosfato de cálcio, que são o principal componente inorgânico dos ossos, e estrôncio, um elemento utilizado no tratamento da osteoporose, que ajuda a reduzir a perda de tecido ósseo e a aumentar a sua formação.

Em testes in vitro, o material mostrou que não é tóxico para as células e que gera as condições necessárias para a formação de tecido ósseo. Além disso, apresentou capacidade de liberar íons de estrôncio por longos períodos em doses controladas – parâmetro essencial para o desenvolvimento, em longo prazo, de terapias seguras, uma vez que excesso destes pode levar ao enfraquecimento dos ossos.

Estratégia

Para produzir o material com estrutura cilíndrica de dimensões controladas, a equipe se baseou em uma estratégia utilizada por diversos organismos vivos para gerar dentes, conchas e ossos: o confinamento físico, que nada mais é do o uso de um molde para obrigar um material a se formar seguindo uma determinada morfologia e tamanho.

O molde usado foi uma membrana de policarbonato, comercialmente disponível, que tem poros cilíndricos de 200 nm de diâmetro, tamanho semelhante ao das fibrilas de colágeno dos ossos. A membrana foi submergida por doze horas em uma solução contendo fosfato, cálcio e estrôncio, a qual penetrou nos poros. Após secagem da membrana na presença de compostos que desencadearam a mineralização, o policarbonato foi dissolvido, sendo possível separar e analisar o material que tinha se formado no interior dos poros.

“Apenas delimitando o ambiente físico no qual ocorrem os processos de nucleação e crescimento do mineral, obtivemos nanotubos com morfologia, composição e tamanho altamente controlados”, diz Ana Paula Ramos, professora da Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto da USP, e autora correspondente de um artigo recentemente publicado que reporta o trabalho.

O mesmo procedimento, só que sem o uso de moldes, resultou em nanopartículas esféricas aglomeradas, com características bem diferentes das fibrilas de colágeno que se buscava emular.

Surpresa

A pesquisa foi realizada dentro do doutorado de Camila Bussola Tovani, que foi realizado com financiamento da FAPESP, orientado pela professora Ana Paula Ramos e defendido neste ano pelo Programa de Pós-Graduação em Química da USP Ribeirão Preto.

A ideia inicial do projeto era compreender como os íons de estrôncio, usados no tratamento da osteoporose, atuavam no mecanismo de mineralização dos ossos. Como esse processo, no organismo, ocorre em situação de confinamento, limitado pelo arcabouço formado pelas fibrilas de colágeno, Camila e sua orientadora decidiram utilizar um molde para estudar como ocorria a mineralização do fosfato de cálcio na presença dos íons estrôncio.

“Durante a caracterização estrutural, constatamos a elevada similaridade entre as partículas obtidas e as fibrilas de colágeno mineralizadas que formam os ossos, o que nos incentivou a conduzir investigações biológicas”, conta a professora. “O que de fato nos surpreendeu, foi a possibilidade de controlar propriedades das partículas tais como fase mineral, morfologia e tamanho apenas mudando o meio no qual a precipitação ocorria”, completa Ana Paula, que sugere que a mesma estratégia pode ser aplicada para sintetizar outras partículas inorgânicas para diferentes aplicações nas quais o controle das propriedades físico-químicas seja essencial.

Os nanotubos foram produzidos e caracterizados no Laboratório de Físico-Química de Superfícies e Coloides, coordenado pela professora Ana Paula. Ensaios biológicos foram realizados em outros laboratórios do campus da USP em Ribeirão Preto, mediante colaborações com o professor Pietro Ciancaglini e a professora Sandra Fukada.

O trabalho também se beneficiou de duas colaborações da professora Ana Paula com pesquisadores da França. A primeira, com o cientista Alexandre Gloter (Université Paris-Saclay), permitiu investigar o mecanismo de formação e caracterizar os nanotubos por meio de técnicas avançadas de espectroscopia e microscopia. A segunda, com a pesquisadora Nadine Nassif (Sorbonne Université), auxiliou na compreensão dos processos de mineralização óssea. “É interessante destacar que o contato inicial com o Dr. Alexandre Gloter aconteceu no Brasil durante o TEM Summer School, organizado no CNPEM pelo LNNano, e que a bolsa BEPE-FAPESP possibilitou a permanência da Camila Tovani no Laboratório Chimie de la Matiere Condenseè de Paris, da Sorbonne Université, sob supervisão da Dra. Nadine Nassif durante 1 ano”, diz Ana Paula Ramos. “O investimento das agências de fomento em internacionalização, tanto trazendo quanto enviando pesquisadores ao exterior, tem impacto importante nesta pesquisa”, conclui.

Do laboratório ao mercado

De acordo com a professora Ana Paula, depois de realizar uma investigação para validar o desempenho dos nanotubos em modelos animais, o material poderia ser utilizado para preencher localmente pequenos defeitos dos ossos. Os nanotubos também poderiam ser incorporados em matrizes poliméricas que são usadas em cirurgias ortopédicas e crânio-maxilo-faciais para substituição, preenchimento ou reparo de falhas ósseas provocadas por infecções, traumatismos e neoplasias. Ainda, o material poderia ser incorporado a formulações de creme dental para tratamento de hipersensibilidade dentária, uma vez que alguns dentifrícios utilizados para este fim apresentam estrôncio em sua composição.

“O maior desafio para tornar as partículas produto é encontrar empresas do ramo interessadas na tecnologia, o que nos permitiria desenvolver formulações a curto prazo”, afirma a pesquisadora.

Thiago Marinho Duarte, 33 anos, tem uma sólida formação para atuar em ensino e pesquisa. O paraibano, natural de Campina Grande, fez licenciatura, mestrado e doutorado em Química, além de uma especialização em metodologia de ensino de Química e Biologia. Foram treze anos dedicados à sua formação.

Todavia, desde que defendeu seu doutorado em Química pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB) em fevereiro deste ano, seus planos de ser professor pesquisador têm ficado “no freezer”. Para poder pagar as contas, recorreu aos conhecimentos aprendidos na adolescência, em cursos técnicos, e começou a fazer “bicos” de eletricista.

Em setembro, ele passou numa seleção da prefeitura de Conde, na região metropolitana de João Pessoa, para atuar na frente de combate à Covid-19, lidando com assuntos diversos, desde analisar laudos de água até conscientizar a população a respeito da pandemia. Desta forma, conseguiu estabilidade financeira por alguns meses (o contrato encerra no final de dezembro) enquanto continua buscando oportunidades para voltar à carreira científica.

Normalmente, o passo seguinte à conclusão do doutorado é o pós-doutorado, o qual pode ser compreendido como um trabalho temporário de “cientista júnior”. No Brasil, essa fase da carreira ocorre geralmente em grupos de pesquisa de universidades e costuma ser remunerada por meio bolsas, pagas por agências governamentais de financiamento à pesquisa, sejam federais (como o CNPq ou a Capes) ou estaduais.

“Submeti projetos de pesquisa em dois editais do CNPq para seleção de bolsistas de pós-doutorado”, conta Thiago. “Em ambos os casos fui avaliado com nota próxima à máxima (acima de 9,5), mas fui comunicado de que não ganharia a bolsa devido a limitações no orçamento”, lamenta. De fato, a quantidade de bolsas de pós-doutorado das agências federais vem diminuindo consistentemente desde 2015, como mostrou um levantamento de dados feito pela SBPMat.

Já em plena pandemia, Thiago participou de quatro processos seletivos de instituições de ensino superior da Paraíba e Rio Grande do Norte para contratação de professor substituto – um cargo temporário que lhe permitiria manter-se na sua área profissional e ter uma renda. Mas ele não ficou selecionado. “A concorrência era muito grande”, diz. Além disso, ele se inscreveu em um concurso para professor efetivo no campus da cidade de Areia da UFPB, mas a seleção ainda não foi realizada devido à pandemia.

Thiago também pensou seriamente em empreender. Olhou com carinho as suas lembranças da época da graduação, quando chegou a produzir e comercializar detergente, e pensou que produzir saneantes não seria uma má ideia para um químico em época de pandemia de doença infecciosa. Mas esta ideia também foi parar “no freezer” frente às dificuldades que Thiago enfrentou para obter informações de caráter burocrático, necessárias para iniciar o empreendimento.

Primeiro universitário da família

“A minha primeira vocação foi a de professor”, conta Thiago. No ensino médio, ele tinha facilidade para as disciplinas da área de Ciências Exatas. No último ano, depois de ajudar alguns colegas a entender uma matéria e passar na prova, ele percebeu que poderia se dedicar ao ensino. Então, mesmo sem ter referências na família (os pais de Thiago são assalariados sem formação superior e ele foi a primeira pessoa que cursou o ensino superior entre todos seus parentes), ele decidiu fazer licenciatura em Química na Universidade Estadual da Paraíba (UEPB).

No final da graduação, em 2011, Thiago começou a enxergar uma outra opção de carreira. Ao notar que havia muitos concursos em universidades e institutos federais, e que todos eles pediam mestrado e/ou doutorado, Thiago pensou que deveria sair de Campina Grande para fazer pós-graduação na UFPB, sempre na área de Química.

A decisão lhe trouxe muitas experiências gratificantes e crescimento pessoal e profissional. No mestrado, Thiago ficou encantado ao descobrir que os conceitos aprendidos nas aulas se tornavam palpáveis no laboratório, e que poderia fazer uma contribuição própria ao avanço do conhecimento. No doutorado, ele fez uma imersão no mundo das simulações computacionais para estudar materiais semicondutores que podem ser usados para remediação ambiental, e teve a oportunidade de sair pela primeira vez do país para fazer uma parte da pesquisa em uma universidade espanhola, com apoio financeiro da Capes.

“O contato com o mundo real dos experimentos e com o mundo ideal das simulações me fez amadurecer”, reflete Thiago. “E a experiência no exterior me fez dar um salto como pessoa e pesquisador; é algo que recomendo a todos que tiverem a oportunidade”, completa.

Atualmente, além de trabalhar na frente de combate à Covid-19, Thiago está terminando de escrever um projeto de pesquisa para atuar em um grupo do estado de São Paulo. Mais uma vez, ele vai tentar conseguir uma bolsa de pós-doutorado. Além disso, Thiago está se preparando para participar de mais um concurso de professor substituto, desta vez na Universidade Federal de Pernambuco (UFPE).

“Quero esgotar todas as possibilidades no país, mas não descarto ir para o exterior”, diz Thiago. “É uma pena que os governantes do Brasil não tenham interesse em investir em geração de conhecimento e tecnologia”.

Link para o CV Lattes de Thiago Marinho Duarte: http://lattes.cnpq.br/3323835059496707

A SBPMat participou da cerimônia de homenagem ao cientista e engenheiro Ricardo Rodrigues, realizada na manhã de 9 de novembro no prédio do Sirius, com organização do CNPEM. A emotiva cerimônia, que foi transmitida ao vivo pelo YouTube, reuniu alguns familiares e amigos, que realizaram manifestações e apresentações sobre a extensa carreira científica e aspectos pessoais de Rodrigues.

Representando a Diretoria da SBPMat, o professor Daniel Mario Ugarte (UNICAMP), membro da Sociedade, entregou uma placa à viúva de Rodrigues – a também cientista Liu Lin. A homenagem da SBPMat a Ricardo Rodrigues foi idealizada por sócios da SBPMat no início do ano e iria acontecer na abertura do XIX B-MRS Meeting, que seria realizado em setembro deste ano em Foz do Iguaçu, mas foi adiado para 2021 em função da pandemia. Com a realização da cerimônia organizada pelo CNPEM, surgiu uma nova oportunidade para realizar a homenagem.

Texto da placa

“Homenagem da SBPMat a Antônio Ricardo Droher Rodrigues (1951 – 2020). A Sociedade Brasileira de Pesquisa em Materiais (SBPMat) homenageia a contribuição fundamental de Ricardo Rodrigues para o êxito no desenvolvimento e implantação das fontes brasileiras de luz síncrotron (UVX e Sirius), que colocaram o Brasil na vanguarda mundial da pesquisa em materiais. Novembro de 2020.”

Ricardo Rodrigues

Ricardo Rodrigues foi um dos principais responsáveis pela construção da primeira fonte de luz síncrotron do Hemisfério Sul, a UVX, inaugurada em 1997. A partir de 2009, liderou a equipe de engenharia que desenvolveu os aceleradores de elétrons do Sirius, a segunda fonte de luz síncrotron do Brasil. Ele faleceu em 3 de janeiro de 2020, aos 68 anos.

A gravação da cerimônia pode ser assistida em https://www.youtube.com/watch?v=hrmTDdnyv9s

O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Bacterial Nanocellulose/MoS2 Hybrid Aerogels as Bifunctional Adsorbent/Photocatalyst Membranes for in-Flow Water Decontamination. Elias P. Ferreira-Neto, Sajjad Ullah, Thais C.A. da Silva, Rafael R. Domeneguetti, Amanda P. Perissinotto, Fábio S. de Vicente, Ubirajara P. Rodrigues-Filho, and Sidney J. L. Ribeiro. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 37, 41627–41643.

Membranas de aerogel como filtros para descontaminar as águas

Uma equipe de cientistas de universidades brasileiras desenvolveu um novo material capaz de descontaminar águas, eliminando, simultaneamente, poluentes orgânicos (como tintas) e inorgânicos (como metais pesados). O material se apresenta em forma de uma membrana com potencial para ser usada como filtro ativo: à medida que a água passa através da membrana, os poluentes são adsorvidos e degradados.  O material pode ser reutilizado várias vezes, sem perder as suas propriedades.

A membrana é formada por uma rede tridimensional de nanofibras de celulose, revestidas com nanofolhas de dissulfeto de molibdênio (MoS2). Cada um dos materiais cumpre sua função no filtro. O dissulfeto de molibdênio é o principal responsável por adsorver os poluentes e degradá-los por meio de fotocatálise [veja box]. Já a nanocelulose funciona, principalmente, como suporte dos fotocatalisadores. Em primeiro lugar, ela permite a construção de uma membrana macroscópica, facilmente manuseável. Além disso, a sua estrutura de nanofibras entrelaçadas de superfície rugosa oferece uma área superficial muito grande para conter os fotocatalisadores. Finalmente, a flexibilidade e resistência da nanocelulose permitem que a membrana aguente a pressão do fluxo de água.

“Apesar de diversos fotocatalisadores excelentes terem sido desenvolvidos anteriormente, uma das desvantagens é a difícil separação e recuperação dos materiais nanométricos, por isso a ideia de fazer membranas”, diz Elias Ferreira-Neto, bolsista de pós-doutorado no Laboratório de Materiais Fotônicos, do Instituto de Química da UNESP Araraquara. “Este trabalho é um primeiro passo na área”, completa Elias, autor correspondente do artigo que reporta o desenvolvimento das membranas, recentemente publicado na Applied Materials & Interfaces (fator de impacto = 8,758).

Produção das membranas: do hidrogel bacteriano até o aerogel híbrido

A “receita” desenvolvida pela equipe científica brasileira para produzir as membranas envolve várias etapas e requer o domínio de diferentes processos de síntese de materiais.

No primeiro passo, bactérias de uma cepa não patogênica, colocadas em um meio adequado, realizam um processo metabólico que gera, como subproduto, um hidrogel de nanocelulose bacteriana. Altamente poroso, esse material é composto por 1% de nanofibras de celulose entrelaçadas e, entre elas, 99% de água. O hidrogel é então lavado com o objetivo de eliminar impurezas.

Depois disso, a superfície das nanofibras é revestida com nanofolhas de dissulfeto de molibdênio de estrutura controlada, regularmente distribuídas na superfície das nanofibras.  Finalmente, esse hidrogel híbrido é transformado em aerogel por meio de um processo de secagem controlada, que substitui a água dos poros por ar. O resultado final é uma membrana de aerogel composto por nanocelulose bacteriana e dissulfeto de molibdênio.

Testes de descontaminação

Para verificar a capacidade das novas membranas de remover poluentes orgânicos e inorgânicos presentes na água, os pesquisadores construíram um pequeno fotorreator. Nesse aparelho, a água contaminada passa através da membrana, que é iluminada para gerar o efeito fotocatalítico. Nos testes, os cientistas utilizaram um poluente orgânico (o azul de metileno, composto usado como tinta e como fármaco) e um contaminante inorgânico (o cromo hexavalente, composto tóxico e cancerígeno, ainda usado em várias indústrias).

Ao medir a presença dos contaminantes na água após a filtragem, os pesquisadores constataram que a membrana foi capaz de eliminar aproximadamente 96% da tinta e 88% do metal pesado depois de 120 minutos de circulação no reator. “A eficiência que conseguimos fica na faixa de materiais fotocatalíticos de dissulfeto de molibdênio na forma nanoparticulada, o que é excelente, tendo em vista que, no material suportado, a área de superfície ativa exposta à luz é muito menor”, diz Elias. Entretanto, para tornar as membranas aptas para aplicações reais, fora do laboratório, os cientistas pretendem aumentar ainda mais essa eficiência. “A modificação dos materiais preparados com outras nanoestruturas fotocatalíticas, como dióxido de titânio (TiO2) e vanadato de bismuto (BiVO4), poderá aumentar muito a eficiência dos materiais já obtidos”, comenta Elias. Além disso, a equipe planeja testar a ação das membranas com relação a outros compostos orgânicos e inorgânicos que poluem as águas, tais como fármacos, pesticidas e outros metais pesados.

Expertises agregadas

Totalmente realizado no Brasil, mais precisamente no estado de São Paulo, o trabalho agregou a expertise em materiais baseados em celulose bacteriana do grupo liderado pelo professor Sidney Ribeiro (Instituto de Química da UNESP Araraquara), e a experiência em fotocatálise do grupo conduzido pelo professor Ubirajara Rodrigues Filho (Instituto de Química de São Carlos – USP). A pesquisa também envolveu a colaboração do professor Fábio Simões de Vicente, do Departamento de Física da UNESP Rio Claro, para a caracterização da porosidade e das propriedades texturais dos materiais.

O estudo faz parte do projeto de pós-doutorado de Elias Ferreira-Neto, financiado pela FAPESP. Em seu doutorado, sob orientação do professor Ubirajara, e durante o estágio de pesquisa no exterior realizado junto a um pesquisador especialista em aerogéis, Elias adquiriu muita experiência no desenvolvimento de nanopartículas e aerogéis inorgânicos para fotocatálise. Nesses trabalhos, ele identificou o grande potencial desses materiais como fotocatalisadores, bem como sua principal limitação, a baixa resistência mecânica e, particularmente, a baixa resistência à pressão capilar em meio líquido.

No contexto do pós-doutorado de Elias, a colaboração entre grupos de pesquisa brasileiros permitiu superar essa limitação mediante o desenvolvimento de aerogéis híbridos que combinam as excelentes propriedades mecânicas do suporte de celulose com as propriedades fotocatalíticas e adsortivas das nanofolhas de MoS2.