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


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

Artigo em destaque: Linha de algodão condutora para costurar eletrônicos vestíveis.


O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Multifunctional Wearable Electronic Textiles Using Cotton Fibers with Polypyrrole and Carbon Nanotubes. Ravi M. A. P. Lima, Jose Jarib Alcaraz-Espinoza , Fernando A. G. da Silva, Jr., and Helinando P. de Oliveira. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10 (16), pp 13783–13795. DOI: 10.1021/acsami.8b04695

Linha de algodão condutora para costurar eletrônicos vestíveis

Esta imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) amplifica uma das “linhas eletrônicas” desenvolvidas neste trabalho, composta por algodão revestido com nanotubos de carbono e com polipirrol obtido por polimerização interfacial.
Esta imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) amplifica uma das linhas condutoras desenvolvidas neste trabalho.

A “velha conhecida” linha de costura, universalmente usada, por exemplo, para pregar botões, foi recentemente transformada por uma equipe científica brasileira em um material condutor de eletricidade e multifuncional. De fato, os usos desta nova linha de costurar vão muito além da costura. Ela funciona muito bem como mini aquecedor elétrico, como componente de supercapacitores (dispositivos que armazenam e liberam energia, similares às baterias) e como agente bactericida. Além disso, a linha é flexível e confortável ao toque, e conserva suas propriedades eletrônicas mesmo depois de lavada, torcida, enrolada ou dobrada repetidas vezes.

Com essas características, a fibra pode cumprir um papel importante na eletrônica vestível –  o conjunto de dispositivos eletrônicos planejados para serem usados sobre o corpo humano, incorporados a roupas ou acessórios.

“Como a linha é um elemento básico para a concepção de têxteis, imaginamos que qualquer produto vestível possa fazer uso desta tecnologia”, diz Helinando Pequeno de Oliveira, professor da Universidade Federal do Vale de São Francisco (Univasf) e líder da equipe científica que desenvolveu a linha condutora e bactericida. Junto a outros três autores, todos ligados à Univasf, Oliveira assina um artigo sobre o assunto, que foi recentemente publicado no periódico científico ACS Applied Materials and Interfaces (fator de impacto= 7,504).

A fibra condutora e bactericida de Oliveira e seus colaboradores é feita de um material compósito, formado por linhas de algodão de 0,5 mm de diâmetro, revestidas com nanotubos de carbono e polipirrol. O material resultante apresenta, além de alta condutividade elétrica, boa atividade eletroquímica – característica necessária para que possa ser usado em supercapacitores.

Para fabricar a fibra condutora, a equipe da Univasf desenvolveu um processo bastante simples, formado por duas etapas principais. Na primeira etapa, pedaços de linha de algodão são submergidos em uma tinta de nanotubos de carbono quimicamente modificados de modo a aumentar sua interação com o algodão. Como resultado, a linha fica revestida por uma rede contínua de nanotubos interconectados.

A segunda etapa é destinada a revestir as fibras com um segundo material: o polipirrol. Para isso, inicialmente, prepara-se uma solução formada pelo composto pirrol e o solvente hexano, na qual se submergem as fibras revestidas com nanotubos. Em seguida, verte-se, em cima desta preparação, uma outra solução, formada por água e alguns compostos que acabarão se incorporando em quantidades muito pequenas à composição química do polipirrol num processo chamado “dopagem” do material. Na interface entre ambas as soluções, as quais não se misturam, ocorre então a união das pequenas moléculas de pirrol, resultando na formação de macromoléculas de polipirrol que se depositam na superfície das fibras. Este processo, no qual um polímero se forma na interface entre duas soluções, é chamado de “polimerização interfacial”. “Dado o bom nível de dopagem do polipirrol (otimizado para esta síntese) e a sua forte interação com os nanotubos funcionalizados, as fibras resultantes apresentam ótimas propriedades elétricas”, diz o professor Oliveira.

A equipe científica também produziu algumas variantes dessa linha de costurar condutora. Por exemplo, uma fibra sem nanotubos de carbono e outra fibra cujo revestimento de polipirrol foi produzido por meio de uma polimerização não interfacial. Entretanto, as linhas com nanotubos de carbono e polimerização interfacial mostraram o melhor desempenho elétrico e eletroquímico.

Aquecedores e supercapacitores em fibras de algodão

Primeira e segunda geração de protótipos do supercapacitor baseado nas linhas de costurar condutoras.
Primeira e segunda geração de protótipos do supercapacitor baseado nas linhas de costurar condutoras.

“A alta condutividade elétrica (em conjunto com a boa porosidade do material) fez do material um ótimo protótipo para aplicação em eletrodos de supercapacitores”, diz Oliveira. “Estas propriedades também viabilizaram o seu uso como aquecedor elétrico com tensões de operação bem baixas (da ordem de poucos volts). Junto a estas aplicações, se soma o potencial antibacteriano da matriz”, completa.

Além de testarem o desempenho da fibra condutora e bactericida de forma isolada no laboratório, Oliveira e seus colaboradores desenvolveram uma prova de conceito. “Usamos uma agulha para costurar a linha em uma luva”, conta o professor. “Com isso poderíamos monitorar a temperatura que a mão, vestindo esta luva, atingiria quando conectássemos o dispositivo a uma fonte de alimentação”, explica.

O sistema de aquecimento testado na luva pode ser adaptado a diversos contextos, como por exemplo uma versão ambulatória da termoterapia (aquecimento terapêutico de regiões do corpo, que é frequentemente utilizado em sessões de fisioterapia), com a vantagem adicional da ação antibacteriana. Essa propriedade é particularmente interessante em materiais que são usados em contato com a pele, já que, dessa maneira, evitam doenças e odores. No caso do polipirrol, a ação ocorre quando o material atrai eletrostaticamente as bactérias e promove o rompimento de sua parede celular, inibindo a sua proliferação.

Aquecimento local (em graus centígrados) proporcionado pela linha condutora costurada ao dedo indicador da luva, depois de aplicar uma tensão elétrica de 12 V.
Aquecimento local (em graus centígrados) proporcionado pela linha condutora costurada ao dedo indicador da luva, depois de aplicar uma tensão elétrica de 12 V.

Um possível produto vestível baseado na linha de costurar condutora é um casaco térmico. Ele poderia ser alimentado por meio de uma célula solar incorporada ao casaco, ou por meio de dispositivos triboelétricos, que colheriam a energia gerada pelo movimento do usuário do casaco. A energia resultante seria armazenada em um supercapacitor feito com a fibra condutora. Costurado ao casaco, o supercapacitor forneceria eletricidade ao aquecedor quando necessário.

Mais um exemplo é o da camiseta armazenadora de energia, na qual o grupo do professor Oliveira está trabalhando atualmente com o objetivo de gerar um produto comercializável. “No momento estamos otimizando a confecção de supercapacitores em peças de tecidos à base de algodão e lycra, como forma a conectá-los diretamente a geradores de energia portáteis, viabilizando assim o desenvolvimento de camisetas armazenadoras de energia”, revela Oliveira.

Ciência e tecnologia desenvolvida no sertão nordestino

O trabalho reportado no artigo da ACS Appl. Mater. Interfaces e seus desdobramentos foram totalmente realizados no Instituto de Pesquisa em Ciência dos Materiais da Univasf, no campus do município de Juazeiro, localizado ao norte do estado da Bahia.  A Univasf, que possui seis campi distribuídos no interior dos estados da Bahia, Pernambuco e Piauí, foi criada em 2002 e inaugurada em 2004. No mesmo ano, Oliveira tornou-se professor da instituição.

O desenvolvimento das linhas de algodão condutoras nasceu de uma linha de pesquisa sobre eletrônicos e dispositivos flexíveis, criada em 2016. Em 2017, a ideia virou tema do trabalho de mestrado de Ravi Moreno Araujo Pinheiro Lima, com orientação do professor Helinando Oliveira, dentro do Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais na Univasf – Juazeiro, criado em 2007. O pós-doc José Jarib Alcaraz Espinoza, que estava otimizando sínteses de polímeros condutores para supercapacitores, adaptou uma metodologia à polimerização interfacial em algodão. Com isso, os pesquisadores perceberam que as linhas condutoras funcionavam como bons eletrodos de supercapacitores, e fabricaram esses dispositivos. Ao mesmo tempo, com a colaboração de Fernando da Silva Junior, doutorando do programa de pós-graduação institucional Rede Nordeste de Biotecnologia, a equipe testou a ação do material contra a bactéria Staphylococcus aureus, responsável por uma série de infecções de diversos graus de gravidade no ser humano.

“Estes resultados refletem o investimento do Brasil na interiorização de sua rede de instituições federais de ensino e pesquisa. Com isso, a migração do sertanejo rumo às grandes capitais na busca por conhecimento vem sendo reduzida. Agora há também mais ciência sendo produzida no sertão nordestino”, afirma o professor Oliveira. “No entanto, os recentes cortes em C&T têm lançado uma enorme nuvem de incerteza sobre o futuro da ciência no país (e em particular sobre estas jovens instituições). O governo brasileiro não tem o direito de jogar tantos sonhos no lixo. A ciência precisa superar mais esta crise”, completa o pesquisador.

Foto do grupo de pesquisa liderado pelo professor Oliveira no Instituto de Pesquisa em Ciência de Materiais. À direita, em azul, os autores do artigo.
Foto do grupo de pesquisa liderado pelo professor Oliveira no Instituto de Pesquisa em Ciência de Materiais. À direita, em azul, os autores do artigo.