Carlos Bufon – SBPMat – Sociedade Brasileira de Pesquisa em Materiais

Live da SBPMat reuniu 4 painelistas de diversos pontos do país e cerca de 100 participantes.

Equipes científicas multidisciplinares estão trabalhando neste momento em diversas universidades brasileiras para poder entregar à sociedade, no prazo mais curto possível, soluções que ajudem a combater a COVID-19. Muito além de gerar publicações, e até mesmo conhecimento, esses trabalhos tem como objetivo principal o de salvar vidas.

A comunidade de pesquisa em materiais está participando ativamente de alguns desses desafios, os quais poderão gerar soluções tão importantes como testes diagnósticos rápidos, confiáveis e produzidos no país ou materiais virucidas para válvulas de respiradores e EPIs.

No início da tarde de 7 de maio, na sua primeira live, a SBPMat reuniu virtualmente quatro pesquisadores que estão trabalhando nesses desafios. Os cientistas contaram, para um público de cerca de 100 pessoas, de que maneira conseguiram se organizar para tentar dar uma resposta a esta situação emergencial e qual poderá ser o impacto social de seus projetos. Os relatos mostraram a importância do investimento contínuo em pesquisa e da colaboração entre indivíduos e instituições.

A discussão foi mediada por Carlos César Bof Bufon, pesquisador e chefe da Divisão de Dispositivos no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano/CNPEM), quem faz parte do comitê organizador do próximo evento anual da SBPMat, o XIX B-MRS Meeting.

O painel de discussão online, transmitido na plataforma Zoom e no Facebook da SBPMat, foi realizado dentro da Marcha Virtual pela Ciência, evento promovido pela SBPC com o objetivo de chamar a atenção para a importância da ciência.

Testes nacionais para diagnóstico da COVID-19 e detecção de anticorpos

As cientistas Mariana Roesch Ely (professora da UCS, Caxias do Sul, RS) e Talita Mazon (pesquisadora do CTI Renato Archer, Campinas, SP) falaram sobre seus respectivos trabalhos de desenvolvimento de sensores para testes diagnósticos de COVID-19, os quais elas estão realizando com o respaldo de especialistas de áreas como Química, Eletrônica, Informática, Física, Materiais, Biologia e Saúde.

Ambos os sensores são instrumentos do tipo point of care. Essa expressão designa dispositivos miniaturizados que permitem realizar testes em qualquer lugar, sem precisar de laboratórios ou outros equipamentos, obtendo o resultado em poucos minutos.

Segundo as pesquisadoras, os sensores que estão desenvolvendo poderão detectar infectados por COVID-19 a partir do primeiro dia da infecção – característica que nenhuma das técnicas de diagnóstico atualmente usadas no país permite. Finalmente, afirmaram elas, os novos sensores fornecerão resultados mais precisos (com menos falsos negativos ou positivos) do que muitos dos testes rápidos que estão atualmente disponíveis no mercado.

Nos dois trabalhos, o desenvolvimento dos sensores está bastante avançado. Contudo, as duas cientistas coincidiram ao falar em 6 meses como prazo razoável para ter um produto pronto, testado com relação ao método RT-PCR (o mais confiável no momento) e viável na escala industrial.

Na sua fala, a professora Mariana contou que trabalha desde 2012 com o desenvolvimento de sensores baseados na tecnologia magnetoelástica, inicialmente voltados à detecção de bactérias e leveduras. Quando o Brasil sofreu o surto do vírus Zika em 2015, a cientista e toda a rede de pesquisa da qual ela faz parte direcionaram seus trabalhos para esse vírus, ganhando experiência na detecção desse tipo de organismos, que são muito menores que as bactérias. De acordo com a professora Mariana, o sensor magnetoelástico seria capaz de detectar tanto a partícula viral (desde o início da infecção) quanto os anticorpos produzidos pela pessoa que está ou esteve infectada. Dessa maneira, poderia ser uma ferramenta importante para definir medidas e protocolos em todas as fases da pandemia, inclusive a retomada das atividades econômicas presenciais.

A pesquisadora Talita contou que trabalha há cinco anos na integração de materiais cerâmicos e biológicos para desenvolver sensores point of care, os quais, na visão dela, se adaptam bem à realidade brasileira, na qual grande parte da população fica afastada de laboratórios e hospitais. Com a experiência reunida nesse tempo, a cientista conseguiu finalizar em 2019, junto a uma equipe multidisciplinar, um sensor eletroquímico que detecta o vírus Zika com precisão e em poucos minutos. Atualmente, ela está adaptando essa plataforma à detecção do Sars-COV-2 (o vírus que causa a doença COVID-19).

Pensando na possibilidade de produzir o sensor sem necessidade de insumos importados, principalmente na escala industrial, a pesquisadora correu atrás de parceiros locais e adaptou o sensor aos insumos biológicos que poderiam ser produzidos no país. Além disso, ela está estabelecendo uma parceria com a empresa pública da área de microeletrônica CEITEC, localizada no Rio Grande do Sul, cuja capacidade instalada permitiria fabricar os chips de todos os sensores necessários para testar a população brasileira nas próximas fases da pandemia. “Temos que unir forças para desenvolver soluções que de fato possam ser atendidas pela capacidade industrial do país”, expressou a professora Talita.

Materiais virucidas para máscaras e respiradores

No painel, Dachamir Hotza, professor da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), contou os esforços de superação individual e grupal que tem realizado para levar respostas à sociedade durante a pandemia de COVID-19. Em um desses trabalhos, o pesquisador e seus colaboradores estão realizando a caracterização física e bioquímica de máscaras usadas em hospitais para poder definir de forma precisa em que momento elas perdem suas funcionalidades e precisam ser substituídas. Além disso, trabalhando com outras instituições e uma empresa da região com as quais já colaborava anteriormente, o pesquisador está avançando no desenvolvimento de tecidos com atividade virucida. Uma dificuldade ainda não superada, contou o pesquisador, foi a de acessar um laboratório com nível de segurança suficiente para fazer testes com o novo coronavírus.

Materiais ativos na eliminação do vírus Sars-COV-2 também foram objeto da fala do professor Petrus Santa Cruz, da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). O cientista contou como reuniu conhecimento gerado ao longo de décadas, disponível em artigos e patentes de seu grupo de pesquisa, para seus trabalhos relacionados ao combate à pandemia. Um deles é uma ação emergencial que visa fornecer ao sistema de saúde pública válvulas de respiradores que poderiam ser usados em pacientes infectados com COVID-19 numa fase anterior à intubação, frente a situações de alta ocupação de leitos com ventiladores mecânicos. A equipe interdisciplinar do professor Petrus, que inclui especialistas da área de software, conseguiu vencer o desafio de fabricar essas válvulas em impressoras 3D com a rugosidade superficial necessária para impedir a fixação de microrganismos (inicialmente bactérias e, provavelmente, também vírus). Além disso, o grupo está trabalhando para outorgar a esse e outros materiais um papel ativo na eliminação do vírus, usando nanotecnologia para romper a parede que protege o RNA viral.

Investimentos contínuos para resultados rápidos

Os quatro painelistas destacaram que a capacidade da ciência de dar respostas rápidas à sociedade em momentos emergenciais é resultado de muitos anos de esforços e investimentos. “Não existe um botão liga/ desliga para a ciência, porque ela é feita do acúmulo de conhecimento”, disse o professor Petrus.

Por outro lado, com sucessivos recortes ao orçamento de CTI, muitos pesquisadores brasileiros têm desenvolvido estratégias para driblar as dificuldades e continuar trabalhando. É característica do cientista brasileiro se adaptar a situações adversas, comentou o professor Dachamir.

As falas dos painelistas mostraram que uma combinação entre expertise e persistência, por um lado, e criatividade e reinvenção, por outro, formam parte da receita que estão aplicando em seus trabalhos relacionados ao combate à pandemia.

Outro aspecto destacado pelos cientistas como essencial ao sucesso dos projetos emergenciais foi o trabalho em redes multidisciplinares de colaboração, inclusive junto às empresas que poderiam produzir as soluções na escala industrial. “Este é o momento de cruzarmos as expertises de todos para dar uma resposta rápida à sociedade”, disse a professora Mariana.

O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Direct Drawing Method of Graphite onto Paper for High-Performance Flexible Electrochemical Sensors. Santhiago, Murilo; Strauss, Mathias; Pereira, Mariane P.; Chagas, Andreia S.; Bufon, Carlos C. B. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 (13), pp 11959–11966. DOI: 10.1021/acsami.6b15646

Lápis e papel para fazer um sensor eletroquímico

Talvez muitos de nós não tenhamos pensado nisto antes: pintar uma folha de papel com lápis de grafite gera, além de um desenho, uma camada de material condutor da eletricidade (o grafite, formado por átomos de carbono) sobre um substrato flexível, barato e amplamente disponível (o papel). Em outras palavras, esse método extremamente simples e rápido produz uma plataforma muito atrativa para fabricar sensores e outros dispositivos.

Baseando-se nesse método de transferência de grafite do lápis para o papel, uma equipe de cientistas brasileiros desenvolveu um sensor eletroquímico flexível. O dispositivo demonstrou ter um desempenho excepcional entre sensores similares na detecção de um composto biológico difícil de detectar, porém muito relevante por estar presente em todas as células, cumprindo importantes funções no metabolismo dos seres vivos.

O trabalho foi realizado, principalmente, no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Algumas análises foram feitas no Laboratório Multiusuário de Espectroscopia Óptica Avançada do Instituto de Química da UNICAMP.

Pesquisadores do Laboratório de Dispositivos e Sistemas Funcionais (LNNano/CNPEM): à esquerda, Carlos Bufon (coordenador) e à direita, Murilo Santhiago.

“Uma das principais contribuições do trabalho foi mostrar a eficiência de dispositivos eletroquímicos preparados através de um processo de transferência direta de grafite sobre papel”, destaca Carlos César Bof Bufon, autor correspondente de um artigo científico sobre o estudo, que foi recentemente publicado no periódico ACS Applied Materials and Interfaces (fator de impacto= 7,504). Além de Bufon, que é pesquisador do LNNano e professor orientador na UNICAMP e na UNESP, assinam o artigo mais quatro pesquisadores do Laboratório de Dispositivos e Sistemas Funcionais do LNNano, inclusive o doutor Murilo Santhiago, que liderou a pesquisa junto a Bufon.

O trabalho começou com o objetivo de fabricar dispositivos eletroquímicos de carbono e/ou híbridos que detectassem compostos biológicos com eficiência, conta Bufon. Uma revisão bibliográfica mostrou à equipe de cientistas que vários tipos de eletrodos de carbono preparados por uma grande diversidade de métodos já tinham sido reportados, e que todos eles trocavam elétrons lentamente quando testados com algumas moléculas modelo. Em outras palavras, não eram sensores eletroquímicos eficientes para as moléculas biológicas. A equipe escolheu então o método de preparação de eletrodos de carbono mais simples (o desenho a lápis) e resolveu investigar por que o material obtido não apresentava bons resultados ao ser usado como sensor eletroquímico dessas moléculas. “Resolvemos então trabalhar nessa questão mapeando os problemas observados em outros trabalhos e melhorando aspectos da superfície do grafite”, relata Santhiago.

A equipe pôde verificar, por exemplo, que o processo de transferência de grafite do lápis para o papel deixava micro e nanodetritos na superfície do eletrodo. Para removê-los, os pesquisadores realizaram no eletrodo um rápido tratamento eletroquímico, que gera bolhas de oxigênio na superfície, as quais ajudaram a remover do filme de carbono os detritos e outras impurezas e repeli-los para longe. “Após esse tratamento, verificamos que a resposta do sensor era uma das melhores já observadas para esse tipo de material”, afirma Santhiago. Procurando explicar o desempenho excepcional, os cientistas analisaram o filme de carbono antes e depois do tratamento usando diversas técnicas de caracterização de materiais, e constataram que o tratamento eletroquímico imprimia mudanças à estrutura e à composição química da superfície do filme de carbono.

Depois de otimizar o eletrodo de carbono sobre papel, a equipe procedeu a testar sua capacidade de detectar moléculas biológicas e escolheu como analito o dinucleótido de nicotinamida e adenina (NAD, na sigla em inglês). Essa molécula costuma ser usada em testes, não apenas devido à sua relevância (participa de mais de 300 processos biológicos), mas também pelos desafios que sua detecção apresenta. Dessa maneira, os cientistas tiveram que fazer alguns ajustes no eletrodo com o objetivo de torna-lo mais seletivo (que detecte apenas NAD) e mais sensível (que detecte pequenas quantidades da molécula).

Fotografia do sensor eletroquímico de papel.

Então, a equipe científica inseriu na superfície do eletrodo um composto que facilita a transferência de elétrons, o corante Azul de Meldola. Nos testes de detecção de NAD, a versão final do sensor mostrou um excelente desempenho, apresentando os melhores resultados já reportados referentes à seletividade e velocidade de detecção entre eletrodos baseados em papel. “Agora, o método mais simples também é o que apresenta a melhor eficiência e maior potencial de aplicação”, conclui Murilo Santhiago.

Depois do sucesso conseguido na fabricação de eletrodos de grafite de alta eficiência pintados a lápis, a equipe deu continuidade às pesquisas sobre o tema. Os cientistas estão agora estudando outras aplicações do material em dispositivos eletroquímicos, inclusive vestíveis, para detecção de espécies de interesse biológico e ambiental. Simultaneamente, eles estão trabalhando a escalabilidade do processo de fabricação para minimizar pequenas variações entre dispositivos – um ponto nada trivial se consideramos que o método se baseia no uso manual de um lápis de grafite, entre outros processos manuais. “Atingir a escalabilidade e, ao mesmo tempo, materiais com alta eficiência nem sempre é uma tarefa fácil”, diz Bufon, citando o exemplo do grafeno, que foi isolado inicialmente usando uma fita adesiva por meio de um processo simples, manual e com problemas de reprodutibilidade.

A pesquisa contou com financiamento do CNPq e FAPESP, e utilizou infraestrutura do Sistema Nacional de Laboratórios em Nanotecnologia (SisNANO) presente no LNNano.

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Live da SBPMat sobre pesquisa em materiais e COVID-19.

Artigo em destaque: Lápis e papel para fazer um sensor eletroquímico.