nanobastões – SBPMat – Sociedade Brasileira de Pesquisa em Materiais

O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Characterization of the structural, optical, photocatalytic and in vitro and in vivo anti-inflammatory properties of Mn²⁺ doped Zn₂GeO₄ nanorods. Suzuki, V. Y.; Amorin, L. H. C; Lima, N. M; Machado, E. G; Carvalho, P. E.; Castro, S. B. R.; Souza Alves, C. C.; Carli, A. P.; Li, Maximo Siu; Longo, Elson; Felipe La Porta. J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 8216. DOI: 10.1039/c9tc01189g

Nanobastões para desenvolver novos anti-inflamatórios

nanobastoes Uma equipe de pesquisadores de universidades brasileiras descobriu, em nanoestruturas de formato cilíndrico chamadas de nanobastões, um efeito anti-inflamatório equivalente ao conseguido por fármacos de uso corriqueiro. Os pesquisadores também demonstraram a eficiência desses nanobastões como catalisadores (aceleradores) na degradação de um poluente. Essas aplicações se tornam ainda mais relevantes considerando que a equipe científica conseguiu produzir grandes quantidades do material mediante um processo simples e rápido. O trabalho realizado mostra o potencial desses nanobastões para o desenvolvimento de novos medicamentos e para o tratamento de efluentes.

O trabalho originou-se cerca de três anos atrás, quando o professor Felipe de Almeida La Porta, que tinha se incorporado recentemente ao corpo docente da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), campus Londrina, estava implementando um grupo de pesquisa em Nanotecnologia e Química Computacional (NANOQC) nessa universidade. “Nosso laboratório começou a investigar algumas classes de materiais emergentes, com a perspectiva de conciliar teoria e prática, impulsionado assim novas descobertas e aplicações.”, conta La Porta. Um dos materiais estudados pelo grupo, foi o germanato de zinco (Zn₂GeO₄), um versátil semicondutor com aplicações em sensores, catalisadores, baterias entre outros dispositivos.

Junto ao bolsista de iniciação científica Victor Yuudi Suzuki, o professor iniciou um projeto em que sintetizou, no laboratório da UTFPR, nanobastões de Zn₂GeO₄puro e com porcentagens muito pequenas de íons de manganês. Para produzir essa série de nanobastões, eles utilizaram a chamada “síntese hidrotérmica assistida por micro-ondas”. O método consiste, em grandes linhas, em misturar soluções aquosas contendo determinados compostos, aquecer a solução final com ajuda de um forno de micro-ondas e deixar que os compostos reajam por um determinado tempo a uma pressão e temperatura controlada. No caso do Zn₂GeO₄dopado com íons manganês que foram preparados neste estudo, essas reações foram realizadas a 140 °C durante 10 minutos. O material que resulta dessas reações é recolhido na temperatura ambiente, posteriormente lavado e secado, gerando os nanobastões.

O professor La Porta e seu grupo de pesquisa conseguiram otimizar uma das etapas do processo, a cristalização dos materiais, de modo a diminuir o tempo de síntese de horas para alguns minutos, mantendo assim a qualidade do material e a possibilidade de controlar seu formato.

Depois de preparar as amostras, a dupla viajou de Londrina até São Carlos (SP) para caracterizar os materiais no Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP). Ali, junto a pesquisadores locais, puderam analisar o formato, estrutura e a luminescência dos quatro tipos de composições de nanobastões produzidos: sem manganês e com 1, 2 e 4% desse elemento incorporado à estrutura do Zn₂GeO₄.

Finalmente, sabendo que compostos contendo zinco, germânio ou manganês apresentam atividade biológica considerável (efeitos benéficos ou negativos sobre os seres vivos), a equipe resolveu contatar colaboradores para investigar esse tipo de propriedades nos nanobastões. Dessa maneira, uma série de experimentos foi realizada nos Departamentos de Química e Farmácia da Universidade Federal de Juiz de Fora e na Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, ambas no estado de Minas Gerais.

Os autores do trabalho. A partir da esquerda: Victor Suzuki, Luís Amorin, Felipe La Porta, Maximo Si Li, Elson Longo, Sandra de Castro, Paloma de Carvalho, Alessandra Carli, Emanuelle Machado, Caio Alvez, Nerilson Lima.

Para estudar a ação anti-inflamatória, a equipe realizou testes in vitro (em contato com células em recipientes laboratoriais) e também in vivo (usando ratos com edemas nas patas, dentro das normas do código brasileiro de uso de animais em laboratório). Ambos os tipos de experimentos revelaram que os nanobastões com cerca de 4% de manganês foram os mais eficazes no controle da inflamação. Nos testes in vitro, essas nanoestruturas foram capazes de modular moléculas que regulam a inflamação sem causar morte de células (sem citotoxicidade). Nos experimentos in vivo, os nanobastões reduziram edemas induzidos nas patas dos ratos com resultados similares aos da aplicação de dexametasona, um conhecido fármaco do grupo dos corticoides.

“No primeiro momento, pensamos que a combinação desses elementos para formação de um óxido ternário poderia de certo modo potencializar esses efeitos. Mais não tínhamos ideia que os resultados seriam tão significativos. Tendo em vista que os medicamentos atualmente disponíveis na terapêutica estão se mostrando cada dia menos eficazes, estes resultados podem encorajar o uso destes nanobastões, por exemplo, na produção de uma nova formulação farmacêutica, especialmente para casos de inflamação”, diz Felipe La Porta, que é o autor correspondente da pesquisa que foi recentemente publicado pela equipe de pesquisadores no Journal of Materials Chemistry C (fator de impacto 6,641).

Além de comprovar o potencial do material para essa aplicação do campo da saúde, os autores do artigo verificaram experimentalmente a capacidade dos nanobastões de degradarem um corante químico bastante encontrado em efluentes industriais, chamado azul de metileno. Para esta aplicação, as nanoestruturas com 2% de manganês foram as mais eficientes, decompondo completamente o corante em 10 minutos. “Devido à simplicidade de fabricação deste sistema aliado a suas excelentes propriedades, este material também é promissor para limpeza de diversos poluentes ambientais, e pode ser facilmente recuperado no final deste processo”, comenta o professor da UTFPR.

No centro, aglomerado de nanobastões de germanato de zinco com 4% de manganês. Ao redor, em sentido horário: medidas de fotoluminescência das amostras; representação da estrutura do germanato de zinco dopado com manganês; mecanismo de degradação de poluentes e medidas da degradação do azul de metileno; ação anti-inflamatória dos nanobastões e de outros tratamentos em pata de rato com edema induzido.

As propriedades superiores que a equipe científica brasileira encontrou nos nanobastões com manganês podem ser relacionadas aos defeitos estruturais observados nessas amostras. De fato, a rede tridimensional de átomos que forma o germanato de zinco é cristalina, ou seja, organizada em padrões regulares. Com a introdução de manganês, irregularidades são geradas, e delas surgem novas propriedades.

O artigo científico que reporta este trabalho foi selecionado para compor a coleção Materials and Nano Research in Brazil, preparada pela Royal Society of Chemistry em comemoração do XVIII B-MRS Meeting, e, portanto, pode ser acessado sem custo até 15 de outubro deste ano, aqui.

O trabalho foi realizado com financiamento de agências brasileiras de apoio à pesquisa: as federais CNPq e Capes, e as estaduais Fundação Araucária, Fapesp e Fapemig.

O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:

Luís F. da Silva, Ariadne C. Catto, Waldir Avansi, Laécio S. Cavalcante, Juan Andrés, Khalifa Aguir, Valmor R. Mastelaro and Elson Longo. A novel ozone gas sensor based on one-dimensional (1D) α-Ag2WO4 nanostructures. Nanoscale (Print), 2014, v. 1, p. 1-2. DOI: 10.1039/C3NR05837A

Texto de divulgação:

Novo sensor de ozônio baseado em nanobastões de tungstato de prata

Um trabalho realizado por grupos de pesquisa do Brasil, com colaboração de cientistas da França e da Espanha e a coordenação do professor da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP) Elson Longo reportou, pela primeira vez, propriedades de detecção de gases de nanobastões de tungstato de prata na sua estrutura alfa (alfa-Ag2WO4). O estudo mostrou que o material pode ser aplicado como um sensor resistivo exibindo um desempenho muito bom na detecção de ozônio (O3).

Os sensores resistivos de gás são constituídos, basicamente, de um material capaz de mudar suas propriedades elétricas quando moléculas de um determinado gás são adsorvidas em sua superfície. Especificamente no tungstato de prata, quando ele é submetido a um gás oxidante como o ozônio, ocorre um aumento em sua resistência elétrica, proporcional à presença e concentração do gás.

nanobastoes sensor ozonio — Imagem de microscopia eletrônica de varredura dos nanobastões em um dos gráficos que mostram o desempenho do sensor.

Neste trabalho, os cientistas brasileiros sintetizaram os nanobastões de tungstato de prata e montaram um sensor baseado nessas nanopartículas. Colocaram o sensor numa câmara de testes com controle de temperatura, expostos a diferentes concentrações de gás ozônio, de 80 a 930 partes por bilhão (ppb), e avaliaram sua capacidade de detectar o ozônio.

Presente em altas camadas da atmosfera, o ozônio cumpre uma função importante de proteção dos seres vivos na absorção da radiação ultravioleta do sol. O ozônio também é utilizado pelo ser humano em várias aplicações, como, por exemplo, na potabilização de água. Porém, a exposição ao gás a partir de determinadas concentrações pode causar problemas de saúde, tais como dor de cabeça, queimação e irritação nos olhos e problemas no sistema respiratório. A Organização Mundial de Saúde (OMS) recomenda evitar uma exposição ao gás ozônio acima de 120 ppb (partes por bilhão).

“Ao submeter o composto a baixos níveis de ozônio, observamos uma rápida resposta, bem como um curtíssimo tempo de recuperação, sendo estas propriedades comparáveis ou até mesmo superiores aos sensores tradicionais, como o dióxido de estanho (SnO₂), trióxido de tungstênio (WO₃), e o óxido de índio (In₂O₃)”, diz Luís Fernando da Silva, primeiro autor do artigo e bolsista Fapesp de pós-doutorado no Instituto de Química de Araraquara da UNESP.

Os resultados foram publicados online no final de janeiro deste ano pela revista Nanoscale. Logo após essa publicação, o artigo foi destacado como “interesting paper” no site de divulgação da área de Materiais “Materials Views”.

O contexto do trabalho

As pesquisas sobre tungstato de prata começaram no pós-doutorado de Laécio Cavalcante, atualmente professor da Universidade Estadual do Piauí (UESPI). Cavalcante sintetizou nanobastões de tungstato de prata usando a técnica hidrotermal assistida por microondas (processo que foi utilizado também na síntese dos nanobastões do trabalho publicado na Nanoscale). Ao realizar análises de microscopia eletrônica no microscópio do Instituto de Química de Araraquara, o grupo de cientistas coordenado pelo professor Longo observou que a interação do feixe de elétrons com o material estimulava o crescimento de partículas de prata metálica sobre a superfície dos nanobastões. Esse resultado do trabalho originou um artigo publicado em abril do ano passado na revista Scientific Reports (DOI: 10.1038/srep01676) e destacado, na época, pelo boletim da SBPMat.

“Desde então, o professor Elson Longo tem pesquisado e estimulado a investigação das potencialidades do composto alfa-Ag2WO4”, comenta Luís Fernando da Silva. Longo, sua equipe e seus colaboradores já puderam observar que o material possui propriedades bactericidas, (J. Phys. Chem. A, 2014; Doi: 10.1021/jp410564p), fotoluminescentes (J. Phys. Chem. C, 2014, DOI: 10.1021/jp408167v), e fotocatalíticas, com uma série de aplicações possíveis.

“Baseado nestas potenciais aplicações”, acrescenta Luís Fernando da Silva, “eu, o professor Waldir Avansi Junior, do Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), juntamente com o professor Valmor Mastelaro, do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC – USP) e sua aluna de doutorado Ariadne Catto iniciamos as investigações sobre as propriedades de detecção do composto alfa-Ag2WO4 não irradiado (sem a presença de nanopartículas de prata metálica)”. No decorrer dos experimentos, conta da Silva, a equipe verificou que o material era sensível à detecção de vapor de etanol e acetona e, finalmente, de gás ozônio, inclusive em baixas concentrações. Com a colaboração dos professores Khalifa Aguir, da Université Aix-Marseille (Marselha, França), e Juan Andrés, da Universitat Jaume I (Castelló, Espanha), foi elaborada a communication publicada na Nanoscale, conceituada revista na área de nanotecnologia.

Os estudos relativos ao tungstato de prata no grupo do professor Longo não devem parar por aqui. De acordo com da Silva, a equipe avaliará a capacidade do material de detectar outros gases. Além disso, retomando os nanobastões de tungstato de prata com nanopartículas de prata metálica, os cientistas vão estudar o efeito da irradiação de elétrons na capacidade do material de detectar gases.

“Este trabalho contribui para a descoberta de novos materiais aplicados como sensores de gás”, afirma o bolsista de pós-doutorado. “No entanto, investigações complementares são necessárias para uma maior compreensão dos mecanismos envolvidos no processo de detecção, adsorção e dessorção do(s) gas(es)”, conclui.

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Artigo em destaque: Nanobastões para desenvolver novos anti-inflamatórios.

Artigo em destaque: Novo sensor de ozônio baseado em nanobastões de tungstato de prata.