Artigo em destaque: Labirinto de argila em matriz de hidrogel para liberação controlada de fármacos.


O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Celso R. N. Jesus, Eduardo F. Molina, Sandra H. Pulcinelli, and Celso V. Santilli. Highly Controlled Diffusion Drug Release from Ureasil–Poly(ethylene oxide)–Na+–Montmorillonite Hybrid Hydrogel Nanocomposites. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10 (22), pp 19059–19068. DOI: 10.1021/acsami.8b04559

Labirinto de argila em matriz de hidrogel para liberação controlada de fármacos

Ao combinar na escala nanométrica uma argila e um gel polimérico, uma equipe científica com membros da Universidade Estadual Paulista “Julio de Mesquita Filho” (UNESP) e da Universidade de Franca (UNIFRAN) desenvolveu um novo material que consegue carregar fármacos e liberá-los de forma gradual e controlada.

A equipe testou in vitro – ou seja, no laboratório, em recipientes que simulam as condições biológicas – o desempenho do material na liberação de diclofenaco sódico. Esse fármaco é um anti-inflamatório, administrável por via oral ou por injeção, bastante utilizado para aliviar o inchaço e a dor gerados, por exemplo, por artrite, reumatismo, lesões musculares, cirurgias ou gota.

O material desenvolvido é um nanocompósito, no qual é possível distinguir um hidrogel polimérico, uma argila e o fármaco. O hidrogel (gel que absorve quantidades de água superiores às normais sem se dissolver) é composto por um material híbrido orgânico-inorgânico chamado siloxano-poliéter ou ureasil. A argila é conhecida como montmorilonita, e se apresenta no nanocompósito em forma de lamelas nanométricas homogeneamente dispersas no hidrogel. Quanto ao diclofenaco sódico, que aparece encapsulado dentro do nanocompósito, é incorporado ao material durante a preparação do mesmo, como se fosse mais um “ingrediente”.

O nanocompósito foi obtido pela equipe paulista por meio do processo sol-gel. Esse método de preparo de materiais é baseado em uma série de reações químicas, nas quais ocorre uma transformação de um “sol” (líquido com partículas nanométricas em suspensão) em um gel (rede rígida tridimensional com interstícios nos quais o líquido permanece imobilizado).

Neste nanocompósito, o hidrogel, que é hidrofílico, tem como função principal absorver água do meio externo e armazená-la em seus interstícios. Nesse ambiente aquoso, moléculas do fármaco se dispersam devido ao processo físico de difusão até atravessarem os poros do hidrogel e saírem para o meio externo, o qual seria o corpo humano se o material estivesse sendo usado para liberar fármacos em pacientes reais.

imagem hidrogelA principal novidade do material é o uso da argila, que é impermeável, para controlar o modo como o fármaco é liberado. De fato, no material desenvolvido pela equipe paulista, as lamelas nanométricas de argila atuaram como barreira física à passagem das moléculas de água e do fármaco.

Conforme ilustra a imagem ao lado, o conjunto de lamelas formou um verdadeiro labirinto que retardou o movimento dessas moléculas, imprimindo um determinado ritmo à absorção de água e à liberação do diclofenaco sódico.

“A principal contribuição do trabalho foi desenvolver um sistema de barreira baseado em um material híbrido orgânico-inorgânico contendo polímero-argila para o controle fino de liberação do fármaco diclofenaco de sódio”, afirma Eduardo Ferreira Molina, autor correspondente de artigo sobre o assunto, recentemente publicado no periódico ACS Applied Materials & Interfaces. Molina atualmente é professor da Universidade de Franca (SP).

No trabalho reportado nessa revista, os autores prepararam uma série de amostras do nanocompósito usando diferentes proporções de argila montmorilonita, e também amostras do hidrogel sem argila. Os cientistas usaram várias técnicas de caracterização para analisar a estrutura dos nanocompósitos obtidos e das fases que os compõem (o hidrogel e a argila), bem como para estudar a absorção de água e a liberação do fármaco no material. Dessa maneira, a equipe conseguiu verificar que a presença da argila era essencial para controlar a forma como o fármaco era liberado. Ajustando a porcentagem de argila usada na preparação dos nanocompósitos, os pesquisadores conseguiram evitar que uma grande dose de diclofenaco sódico fosse liberada no início (um problema comum em sistemas de liberação de fármacos). Eles também conseguiram que a liberação posterior ocorresse de forma pausada e a uma taxa constante e previsível.

Os resultados deste trabalho podem constituir um primeiro passo rumo ao uso deste nanocompósito como sistema de liberação de fármacos para tratamentos prolongados de artrite, enxaqueca, dor pós-cirúrgica etc. Com um sistema como este, a medicação poderia ser liberada paulatinamente nas doses e taxas mais adequadas, mantendo a concentração ideal do fármaco na corrente sanguínea.

Celso R. N. Jesus (esquerda), primeiro autor do artigo e Eduardo F. Molina, autor correspondente.
Celso R. N. Jesus (esquerda), primeiro autor do artigo e Eduardo F. Molina, autor correspondente.

O trabalho, que recebeu financiamento das agências federais brasileiras CAPES e CNPq e da agência paulista FAPESP, foi realizado no Instituto de Química da UNESP, na cidade de Araraquara, com exceção das medidas de espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS), realizadas no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), na cidade de Campinas.

A pesquisa foi desenvolvida entre 2010 e 2014 no doutorado em Química de Celso Ricardo Nogueira Jesus, com orientação do professor Celso Valentim Santilli (UNESP) e da professora Sandra Helena Pulcinelli (UNESP). A ideia, até então inédita, de desenvolver esses nanocompósitos para funcionarem como barreiras para liberação controlada de fármacos surgiu no início do doutorado de Nogueira Jesus. O tema reuniu temas desenvolvidos em outros dois trabalhos de pós-graduação. Por um lado, a pesquisa de doutorado de Eduardo Molina, orientada pelo professor Santilli, sobre siloxano-poliéter para liberação controlada de fármacos. Em 2010, esse trabalho estava em fase de conclusão. Por outro lado, o trabalho de mestrado de Márcia Hikosaka, orientado pela professora Pulcinelli e concluído alguns anos atrás, sobre o preparo de nanocompósitos com polímeros e argila montmorilonita.

Artigo em destaque: Muita ciência e uma dose de acaso para chegar à receita de um nanocompósito multifuncional.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: One material, multiple functions: graphene/Ni(OH)2 thin films applied in batteries, electrochromism and sensors. Eduardo G. C. Neiva, Marcela M. Oliveira, Márcio F. Bergamini, Luiz H. Marcolino Jr & Aldo J. G. Zarbin. Scientific Reports 6, 33806 (2016). doi:10.1038/srep33806. Link para o artigo: http://www.nature.com/articles/srep33806

 

Muita ciência e uma dose de acaso para chegar à receita de um nanocompósito multifuncional

boxnioh2Artigo recentemente publicado no periódico científico Scientific Reports, do grupo Nature, reporta um estudo realizado em universidades do estado do Paraná (Brasil) sobre um material baseado no hidróxido de níquel Ni(OH)2 – composto de grande interesse tecnológico [ver box ao lado]. A equipe de autores desenvolveu um método inovador para fabricar um material formado por grafeno e nanopartículas de hidróxido de níquel, fez filmes finos com esse material e demonstrou a eficiência desses filmes quando usados como eletrodos de baterias recarregáveis, sensores de glicerol e materiais eletrocrômicos.

O trabalho foi realizado dentro da pesquisa de doutorado de Eduardo Guilherme Cividini Neiva, sob orientação do professor Aldo José Gorgatti Zarbin, no Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal do Paraná (UFPR). Neiva começou a realizar trabalhos de pesquisa sobre nanopartículas de níquel na graduação, orientado pelo professor Zarbin. No mestrado, ainda com Zarbin, o estudante desenvolveu uma rota de preparação de nanopartículas de níquel metálico para aplicações eletroquímicas. Finalizado o mestrado, Neiva e Zarbin se propuseram a dar continuidade à pesquisa no doutorado de Neiva, incluindo o grafeno na preparação das nanopartículas de níquel metálico para obter nanocompósitos de níquel e grafeno com propriedades diferenciadas. “A maior parte dos meus interesses científicos estão voltados na preparação de materiais com nanoestruturas de carbono, como nanotubos e grafeno”, contextualiza o professor Zarbin, que assina o artigo da Scientific Reports como autor correspondente.

Os primeiros trabalhos no laboratório já surpreenderam a dupla. Na presença do óxido de grafeno (usado como precursor do grafeno na preparação do material), o processo tomava um rumo diferente. Nesse momento, Neiva e Zarbin enxergaram o potencial dessas particularidades: se bem compreendidas, poderiam ser controladas e utilizadas para preparar nanocompósitos, não apenas de níquel metálico, mas também de hidróxido de níquel, o que abriria novas possibilidades de aplicação. “Há uma frase que gosto muito, do Louis Pasteur, que se aplica perfeitamente nesse caso: “o acaso favorece as mentes bem preparadas””, diz Zarbin.

Partindo dessa base, orientando e orientador criaram um processo simples e direto para fabricação de nanocompósitos de grafeno e hidróxido de níquel. Nesse processo inovador, ambos os componentes são sintetizados em conjunto, em uma única reação de apenas uma etapa. Usando essa técnica, Neiva fabricou os nanocompósitos. Amostras de hidróxido de níquel puro também foram produzidas, para poder compará-las com os nanocompósitos.

As amostras foram estudadas por meio de uma série de técnicas: difração de raios X, espectroscopia Raman, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR), termogravimetria, microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo (FEG-MEV), e também por meio de imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) realizadas pela professora Marcela Mohallem Oliveira, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). A comparação entre os dois materiais foi favorável ao nanocompósito. “O grafeno teve papel fundamental na estabilização das partículas em escala nanométrica, no aumento da estabilidade química e eletroquímica das nanopartículas, e no aumento da condutividade do material, fundamental para uma melhora nas aplicações desejadas”, comenta Aldo Zarbin.

Aldo José Gorgatti Zarbin (à esquerda de quem olha) e Eduardo Guilherme Cividini Neiva, autores principais do trabalho, no equipamento FEG-MEV do Grupo de Química de Materiais da UFPR.
Aldo José Gorgatti Zarbin (à esquerda de quem olha) e Eduardo Guilherme Cividini Neiva, autores principais do trabalho, no equipamento FEG-MEV do Grupo de Química de Materiais da UFPR.

A etapa seguinte consistiu no processamento dos nanocompósitos e das nanopartículas de hidróxido de níquel puro para obter filmes finos, formato que possibilita seu uso nas aplicações desejadas. “Depositar materiais na forma de filmes, recobrindo diferentes superfícies, é um desafio tecnológico imenso, que se torna maior e mais desafiador quando se trata de materiais multicomponentes e materiais insolúveis, infusíveis e intratáveis (todas características do material reportado nesse artigo)”, explica Zarbin.

Para superar esse desafio, Neiva utilizou uma rota de processamento, chamada de método interfacial líquido/líquido, desenvolvida em 2010 pelo grupo de pesquisa liderado por Zarbin, o Grupo de Química de Materiais da UFPR. Essa rota, além de ser simples e barata, afirma o professor Zarbin, permite depositar materiais complexos na forma de filmes homogêneos e transparentes sobre vários tipos de materiais, incluindo plásticos. “Essa rota se baseia na alta energia existente na interface de dois líquidos imiscíveis (água e óleo, por exemplo), onde o material é inicialmente estabilizado para minimizar essa energia, possibilitando sua posterior transferência para substratos de interesse”, detalha o cientista.

Com os nanocompósitos, Neiva obteve filmes finos transparentes de cerca de 100 a 500 nm de espessura, com nanopartículas de cerca de 5 nm de diâmetro homogeneamente distribuídas sobre as folhas de grafeno. O hidróxido de níquel puro, diferentemente, gerou filmes formados por nanopartículas esféricas porosas de 30 a 80 nm de diâmetro, distribuídas de modo heterogêneo, formando aglomerados em algumas regiões.

Na fase final do trabalho, os filmes depositados sobre vidro e ITO (óxido de índio e estanho), foram testados em três aplicações, nas quais o nanocompósito teve desempenho superior ao hidróxido de níquel puro.  Enquanto material para eletrodos de baterias alcalinas recarregáveis, o nanocompósito apresentou alta energia e alta potência – dois pontos positivos que não é fácil encontrar num mesmo material. O nanocompósito também demonstrou uma boa performance como sensor eletroquímico. De fato, experimentos idealizados pelos professores Márcio Bergamini e Luiz Marcolino Jr, também da UFPR, mostraram que o nanocompósito é um sensor sensível de glicerol (composto conhecido comercialmente como glicerina e usado em várias indústrias). Finalmente, o nanocompósito agiu como eficiente material eletrocrômico. Com essas características, os filmes do grupo da UFPR têm chances sair do laboratório e fazer parte de produtos inovadores. “Isso depende de parceiros que se interessem em escalonar o método e testar em dispositivos reais”, diz Zarbin.

Por enquanto, além de artigos científicos como o publicado na revista Scientific Reports, o trabalho gerou várias patentes, tanto sobre o método de deposição dos filmes finos quanto sobre suas aplicações em sensores de gases, eletrodos transparentes, dispositivos fotovoltaicos e catalisadores. “E já desenvolvemos uma bateria flexível, que só foi possível graças à técnica de deposição de filmes que desenvolvemos”, complementa o professor Zarbin.

O trabalho, que foi desenvolvido dentro dos projetos macro “INCT de nanomateriais de carbono” e “Núcleo de Excelência em Nanoquímica e Nanomateriais”, contou com financiamento das agências federais Capes e CNPq, e da Fundação Araucária, de apoio ao desenvolvimento científico e tecnológico do estado do Paraná.

 

Esta figura, enviada pelos autores do paper, condensa as principais contribuições do trabalho. No centro, um balão com dois líquidos e o filme na interface representa o método de processamento de filmes finos. À esquerda consta um esquema do filme, com as nanopartículas de hidróxido de níquel sobre a folha de grafeno. Logo à direita do balão, uma fotografia do filme depositado sobre um substrato de quartzo mostra a homogeneidade e transparência do filme (é possível ler um texto que está debaixo dele). Finalmente, à direita, de cima pra baixo, as três aplicações são mostradas através de uma curva de descarga (bateria), de uma curva de variação de transmitância pelo potencial aplicado (eletrocromismo) e de uma curva analítica mostrando a variação linear da intensidade da corrente em função da concentração de glicerol no meio (sensor).