Nanotecnologia e Nanobiotecnologia

Nanotecnologia e Nanobiotecnologia

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Nelson Durán1,2, Priscyla D. Marcato1 e Zaine Teixeira1

1Laboratório de Química Biológica, Instituto de Química, Universidade Estadual de

Campinas, C.P. 6154, Campinas, CEP 13083-970, SP, Brasil 2Laboratório de Biotecnologia, Centro de Ciências Ambientais, Universidade de Mogi das Cruzes, Mogi das Cruzes, SP, Brasil

A nanotecnologia refere-se à tecnologia utilizada para manipular estruturas muito pequenas, tornando possível a criação de estruturas funcionais que poderiam ter sido inconcebíveis utilizando tecnologia convencional. A nanotecnologia é multidisciplinar, unindo diversas áreas de conhecimento, tais como: química, física, biologia e engenharias. Apesar de estar relacionada a estruturas muito pequenas, a nanotecnologia traz benefícios enormes, permitindo atingir o que em alguns anos atrás era apenas ficção. Por esta razão, é agora um dos campos mais importantes mundialmente.

Inicialmente vamos definir a palavra Nanotecnologia, na qual o prefixo “nano” está relacionada a uma escala de medida em que um nanômetro é um bilionésimo do metro ou um milionésimo de milímetros. Para efeito de ilustração, um fio de cabelo tem cerca de 100.0 nanômetros de espessura sendo possível observar estruturas nesta escala apenas com auxílio de técnicas microscópicas modernas. O termo “tecnologia” refere-se ao desenvolvimento e produção de novos materiais

O mundo nano está governado por várias regras que diferem daquelas que afetam nossas vidas ao nível macroscópico. Fatores que não têm importância ou que seriam inconcebíveis no mundo macro apresentam uma grande significância ao nível nanométrico. A nanotecnologia é tão revolucionaria porque controla tais fenômenos para ter novas propriedades e funções que atualmente já fazem parte do nosso cotidiano.

O mundo pequeno

Quando falamos da escala nanométrica, estamos falando realmente acerca de poucos átomos e moléculas. Os tamanhos dos átomos diferem dependendo dos elementos químicos, enquanto que os tamanhos das moléculas dependem do número de átomos e da maneira que estes se ligam. Os vírus que causam a gripe comum e outras doenças possuem um diâmetro de várias dezenas a centenas de nanômetros, enquanto que as bactérias são ao redor de micrômetros (1micrômetro = 1.0 nm).

Nesta escala as propriedades físicas e químicas de substâncias são

_ alteradas gerando novas possibilidades de aplicações e diferentes fenômenos que podem ser observado no mundo macroscópico. Por exemplo, é possível observar, dependendo das condições da luz e ângulo, um arco-íris em um copo com bolhas de sabão e gotas de óleo. Este fenômeno se deve ao fato de que estas estruturas são membranas com diâmetro de centenas de nanômetros de espessura.

Superfície de uma bolha de sabão

A NANOPARTÍCULA é para uma BOLA de futebol como a BOLA é para a TERRA! bolha de sabão

Benefícios do Tamanho Nano

Uma das grandes vantagens da nanotecnologia é o aumento da área superficial dos materiais na escala nano o que torna estes materiais muito mais reativos. Como resultado, os materiais com tamanho nano absorvem calor facilmente e a temperatura de fusão diminuem em caso de sólidos. Este é apenas um exemplo de como os nanomateriais diferem dos demais materiais. A meta da nanotecnologia é utilizar estas novas propriedades como o aumento da área superficial para preparar novos materiais denominados nanomateriais. Estes materiais não possuem, necessariamente tamanho nanométrico, mas possuem em sua composição estruturas nanométricas que geraram novas propriedades e aplicações..

reduzidoconstruir na escala nano

Os benefícios da nanotecnologia ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1. Qualquer estrutura pode ter o seu tamanho - Novas técnicas permitem 2. Novas propriedades podem ser descobertas -Propriedades derivadas do efeito quântico. -Novas propriedades criadas a partir da junção de diferentes componentes nano. -Novas propriedades pelo efeito de redução de tamanho. 3. Materiais podem ser extremamente sensíveis -Forças extremante pequenas podem ser usadas efetivamente. - Reações químicas se tornam mais numerosas.

A vida é criada na escala nanométrica

O código genético que compreende a base para a vida está contido na molécula de DNA, que está enovelado no núcleo das células dos organismos vivos. A largura da molécula de DNA é somente de 2 nm (de comprimento atinge valores de metros). O código contido nesta molécula serve como molde na síntese das proteínas, que desempenham numerosas atividades no corpo humano. Esta é a razão pela qual as modificações no DNA levam ao surgimento de doenças. Além disso, pequenas diferenças no DNA em cada indivíduo fazem com que cada pessoa seja única.

Adicionalmente, pequenas diferenças na combinação de átomos de substâncias geram propriedades completamente diferentes.

Em outras palavras, a maneira que o mundo trabalha é desenhado ao nível nano. Por exemplo, carbono é um elemento encontrado não somente em nossos corpos, mas em todos os lugares da Terra. Pequenas diferenças na combinação deste átomo tornam os compostos completamente diferente um dos outros.

O carbono encontrado na natureza inclui carvão, grafite e diamante. Todos eles com grandes diferenças na dureza e propriedades elétricas como resultado das diferentes maneiras que os átomos de carbono estão ligados. Grafite, por exemplo, é um semimetal que conduz eletricidade, mas diamante é um excelente isolante. O diagrama abaixo mostra as diferentes combinações dos átomos de carbono levando a formação de estruturas diferentes.

_ Estruturas de átomos de carbono na escala nano

Grafite Diamante Fulerenos Nanotubos

Os fulerenos são conhecidos como moléculas semelhantes à bola de futebol.

Este novo material foi descoberto em 1985 por cientistas que ganharam o Premio Nobel por este resultado. Um fulereno é feito de 60 átomos de carbono unidos de tal maneira que criam uma esfera oca de 0,7 nm de diâmetro. Outra estrutura de carbono é o nanotubo no qual os átomos de carbono estão ligados numa forma de tubos, ocos como fulerenos, com diâmetros de uma a várias dezenas de nanômetros. Átomos de carbono podem também combinar-se em nanofolhas e nanofitas, que possuem estruturas tipo membranas de poucos nanômetros de espessura.

EstruturaTipo

Uma dimensão Nanotubos, nanoarames, nanoagulhas

Duas dimensões Nanofolhas, nanofitas, nanomembranas, filmes finos

Três dimensões Nanocerâmicas; nanometais; partículas esféricas como clusters (agrupamentos como C60) e nanopartículas.

Nanomateriais e nanoestruturas

No início da nanotecnologia os produtos eram feitos por acaso, mas atualmente os novos materiais e nanoestruturas são criados através do uso de métodos físicos e químicos para permitir que uma determinada estrutura tenha uma propriedade especial através da manipulação intencional de moléculas e átomos.

A exploração de propriedades na escala nano é o ponto de partida da nanotecnologia. Um dos melhores exemplos são os pontos quânticos que apresentam características diferentes dependendo do tamanho, por exemplo, seleneto de cádmio recoberto com sulfeto de zinco, ZnS-CdSe.

Nanopartículas do tipo casca-caroço (core-shell) de seleneto de cádmio recoberto com sulfeto de zinco tem suas propriedades ópticas alteradas de acordo com o seu tamanho

Quanto aos métodos de preparação desses novos materiais, duas abordagens principais têm sido empregadas: bottom up (de baixo para cima) e top down (de cima para baixo).

O método top down (“de cima para baixo”) refere-se à diminuição do material de sua forma volumosa (bulk) para dimensões nanométricas por técnicas de litografia. Esse método, no entanto, tem encontrado limitações sendo pouco utilizada.

O método bottom up (“de baixo para cima”), abordado inicialmente por

Richard Feymann, refere-se à construção de dispositivos a partir de átomos ou moléculas ligados quimicamente. Nesse caso, as estruturas são vistas como versáteis “blocos de construção” para a obtenção de dispositivos nanométricos, por exemplo, a funcionalização de um substrato com moléculas de propriedades e funções específicas.

Dendrímeros

Os dendrímeros, uma classe de nanomateriais importante, são formados por moléculas poliméricas, ou seja, de unidades (monômeros) que se repetem, as quais formam ramificações como árvores em um processo de auto-agregação. Tal estrutura permite a incorporação de moléculas podendo ser utilizados, por exemplo, em sistemas de liberação de fármacos. Além disso, podem aprisionar metais, tendo aplicações no tratamento de água, onde são posteriormente removidos por processos de ultra-filtração. Devido a seu tamanho, estrutura, forma e direção das ramificações pode-se facilmente controlar suas propriedades. Os dendrímeros também têm um potencial grande em eletrônica, além de aplicações envolvendo fotocatalisadores e sensores. A aplicação potencial em tantos campos diferentes para os dendrímeros faz destes um dos mais atrativos tipos de nanomateriais.

_ Dendrímeros

Molécula com centro simétrico Molécula pigmentada assimétrica
Dendrímero esférico Dendrímero polarizado

Nanometais: Novos nanomateriais

Os metais são conhecidos por apresentarem propriedades que podem ser mudadas dependendo de sua pureza ou mistura com outros metais ao nível molecular para criar as ligas metálicas. Nanometais são novos nanomateriais, no qual a pesquisa é feita nas seguintes áreas: a) purificação de metais para criar nanometais com propriedades condutoras, térmicas, magnéticas dentre outras, que são impossíveis de obter por métodos de purificação convencional; b) redução e homogeneização do tamanho de cristais (ou grãos) para melhorias exponenciais na força, flexibilidade, resistência à corrosão e outras propriedades; c) dopagem com nanopartículas para controle das propriedades de metais.

A tecnologia em nanometais aparece como uma área em expansão e abre uma ampla faixa de possibilidades para o uso de metais. Veja abaixo exemplos da variedade de estruturas que podem ser empregadas para a produção desses novos produtos.

_ Várias estruturas de nanometais

NanocristaisNanocompósitos
AmorfosNanocompósitos amorfos
NanogranularNanolaminados

Aglomerações (clusters) Nanoprecipitados _

Nanomateriais com estruturas complexas

As propriedades apresentadas pelos nanomateriais freqüentemente vão além da alteração da dureza ou condutividade no que se refere a nanomateriais com estruturas complexas. Dentro dessa classe, materiais bioinspirados, em particular, mostram novas possibilidades de aplicações muito promissoras. Derivam seu nome da maneira que eles incorporam mecanismos inspirados naqueles encontrados em sistemas biológicos. Um exemplo interessante são os materiais chamados nanogéis dinâmicos que apresentam a habilidade das proteínas de enovelar-se automaticamente. Outro exemplo está relacionado com as moléculas chaperonas, que são nanomáquinas naturais que aparecem para se associar com proteínas e prover ajuda a estas em células vivas. Pesquisas estão sendo feitas na aplicação dos mecanismos das chaperonas moleculares para desenvolver materiais que poderiam ser úteis em bioengenharia e medicina.

_ Estruturas da chaperonas moleculares

Produtos com Nanotecnologia

Talvez pudessemos indagar como os nanomateriais estão atingindo nosso mundo atual? A figura seguinte talvez possa explicar:

Bolas de tênisRoupas Esportes Cosméticos

Praticamente todas as áreas apresentam produtos nanotecnológicos no mundo. _

A nanobiotecnologia refere-se à fusão de duas abordagens de tecnologias recentes, a biotecnologia e a nanotecnologia, apresentando enormes inovações e potencialidades. A nanobiotecnologia pode ser, portanto, definida como o estudo, processamento, fabricação e desenho de dispositivos orgânicos, nanomateriais para atuação biológica ou biomateriais, nos quais pelo menos um componente funcional possui tamanho nanométrico. Áreas importantes da nanobiotecnologia incluem a nanomedicina (biologia molecular e genética), a física-médica (diagnóstico), o desenvolvimento de nanofármacos (fármacos encapsulados), além da nanocosmecêutica (cosméticos com efeitos farmacológicos consideráveis). Uma das

Aplicações Nanotecnológicas Que produtos Nano existem atualmente? abordagens da nanobiotecnologia envolve o uso de sistemas biológicos como moldes (templates) no desenvolvimento de produtos novos na nanoescala. Bons exemplos de materiais da nanobiotecnologia estão mostrados na figura seguinte.

Motores biomolecularesCrescimento de neurona em chips

Efeito Lótus Manipulação de DNA

Nos aspectos atuais, a nanobiotecnologia é a aplicação da nanotecnologia nas ciências da vida. As ciências físicas têm contribuído neste contexto, uma vez que oferecem ferramentas para síntese e fabricação de equipamentos para medir as características de células e de componentes subcelulares, além de fornecerem materiais úteis em biologia celular e molecular. A biologia representa as mais sofisticadas estruturas existentes, tais como movimento: flagelos; informação: DNA; catálise: enzimas; isolantes elétricos: mielina; reconhecimento molecular: anticorpos, etc.

Pela nanobiotecnologia está previsto que esta proverá os meios para diagnósticos prematuros e melhorar o diagnóstico de doenças, levando a melhores tratamentos. Também se mostra promissor em aumentar a eficiência do processo de desenvolvimento de fármacos.

Sistemas de Liberação Controlada

A tecnologia de liberação controlada caracteriza o sistema capaz de prover algum controle terapêutico, seja de natureza temporal, espacial ou ambos. Quando o veículo empregado promove apenas uma liberação em tempo prolongado podemos denominar como liberação sustentada. Tal tecnologia envolve diferentes aspectos multidisciplinares e pode contribuir muito para o avanço da saúde humana. Os sistemas de liberação oferecem inúmeras vantagens quando comparados a outros de dosagem convencionais, tais como:

I. Maior eficácia terapêutica, com liberação progressiva e controlada do fármaco.

I. Diminuição significativa da toxicidade e maior tempo de permanência na circulação.

I. Natureza e composição dos veículos, além de proteção contra mecanismos de instabilidade e decomposição do fármaco (inativação prematura).

IV. Administração segura, sem reações inflamatórias locais. V. Diminuição do número de doses devido a liberação progressiva, VI. Possibilidade de direcionamento a alvos específicos.

Essa abordagem da nanotecnologia para a veiculação inclui aplicações importantes da ciência de colóides nas suas mais variadas formas, como emulsões múltiplas e inversas, micro e nanogéis, lipossomas, micro e nanopartículas poliméricas biodegradáveis, nanopartículas lipídicas sólidas etc.

A utilização destes sistemas em liberação controlada de fármacos envolve um amplo campo de estudos e tem reunido muitos esforços, atualmente, na área de nanopartículas. Estes esforços estão representados pelas novas estratégias para a veiculação de ingredientes ativos, os quais incluem aplicações importantes das ciências de polímeros, de surfactantes e de colóides.

Sistemas de Nanoencapsulamento de Fármacos

Como já vimos as nanopartículas no encapsulamento de fármacos têm se destacado nas últimas décadas devido a possibilidade da redução da toxicidade de drogas, liberação sustentada, além de aumento da eficácia do medicamento, diminuindo as quantidades terapêuticas necessárias. Além disso, esses sistemas nanoestruturados mostram propriedades interessantes devido à possibilidade de passagem de barreiras celulares por endocitose ou fagocitose em leucócitos, monócitos, macrófagos e outras células do organismo endotelial.

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