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Nanotubos - Síntese e Aplicações
Prof. Dr. Vinicius Campos Disciplina Nanobiotecnologia
Graduação em Biotecnologia - UFPel
Nanotubos de Carbono
Folhas laminadas de grafeno (folha plana de átomos de carbono compactados) com comprimentos de centenas de nanômetros a
vários micrômetros
Descritas por Iijima em 1991 como um alótropo de carbono em rolo cilíndrico de
única parede.
O DNA possui uma
largura de 2,5 nm
O diâmetro de um
nanotubo é de 1 nm
largura média do cabelo humano
80.000 nm
Dimensão do Nanotubo de Carbono
Nanotubos de Carbono
CNT são basicamente constituídos por carbono puro e pertencem à família dos fulerenos (C60).
Atualmente, vários membros dos fulerenos estão sendo sintetizados e categorizados como uma família específica de acordo com seu número de carbono, como C20, C30, C36, C70 e C78, e são chamados grafenos. Nanotubos de carbono são graphenos com uma estrutura de tubo oco cilíndrico, onde os átomos de carbono hibridizados estão dispostos em
um padrão específico para formar unidades estruturais hexagonais
Nanotubos de Carbono
Parede simples (SWNT) Parede Múltipla (MWNT)
Classificação
Diâmetros de 0.4 - 2 nm de 2-30 tubos
concêntricos posicionados
dentro de um outro
diâmetros que variam de 2
a 100 nm
Parede simples (SWNT) Parede Múltipla (MWNT)
Carbon nanohorns (CNHs) são idênticos aos CNT na composição, preparados a partir de grafite, através de método ablação por laser. São nanomateriais de parede simples, feitos a partir de folhas de grafeno, com 2-3 nm de diâmetro.
Classificação
Ao contrário CNT, CNH apresentam estrutura em forma de cone. Têm a propriedade alteração de diâmetro à medida que aumenta seu comprimento
Nanotubos de Carbono
Os nanotubos de carbono são ainda classificados de diversas maneiras dependendo de suas modificações estruturais, como método de
preparação e propriedades de solubilidade. Por exemplo:
• CNTs funcionalizados, • CNTs dispersos em solventes, • CNTs associados a surfactantes, • CNTs associados a biomoléculas.
Classificação
Nanotubos de Carbono
Natural
Síntese
Sintética
Podem ser sintetizados
naturalmente por aquecimento de
carbono negro e grafite em um
ambiente controlado de chama. No
entanto, nanotubos produzidos por
este método são na maior parte
irregulares em tamanho, forma,
resistência mecânica, qualidade e
pureza.
Hoje em dia, são
sintetizados por métodos
desenvolvidos artificialmente
que incluem descarga de
arco eléctrico (EAD), técnica
de ablação a laser (LA) e
deposição química catalítica
em fase de vapor (CVD).
Nanotubos de Carbono
Descarga de arco eléctrico
Síntese
Ablação por laser
No método descarga de arco eléctrico
são utilizados dois tipos diferentes de
eletrodos (ânodo e cátodo). CNTs são
produzidos no final do ânodo, que
consiste de grafite puro. Os nanotubos
são produzidos por feixes de alta tensão
(cerca 100 amp) de elétrons produzidos
pelo arco eléctrico, os quais bombardeiam
a superfície de grafite.
Na técnica de ablação por laser, os
nanotubos são produzidos permitindo
que um feixe de laser de espectro
específico atinja o alvo de grafite,
usando um metal de transição como
catalisador, produzindo tanto SWNTs
como MWNTs. Este método utiliza duas
diferentes fontes de laser, como feixes
primário e secundário.
Envolvendo um precursor sólido como fonte de carbono para o crescimento
dos NTs, e vaporização do carbono à altas temperaturas.
Nanotubos de Carbono
Deposição química em fase de vapor
Síntese
O material de alimentação utilizado está presente em sob a
forma de uma fase de vapor misto (carbono vaporizado com um
gás inerte). Este material de alimentação é passado através de
uma quente fornalha, onde ele se decompõe para gerar CNTs
depositados sobre a superfície de um substrato. O substrato é feito
por incorporação de partículas nanométricas de níquel, cobalto, ou
ambos como catalisadores e é geralmente aquecida a cerca de
700 ° C. O diâmetro dos CNTs e resistência à tração, dependem
do tamanho das partículas de metal.
Nanotubos de Carbono
Síntese
Esses três principais métodos de produção de CNTs envolvem a
síntese em alta temperatura, pressão, e utilização de catalisadores de
reação, levando a estruturas de CNTs juntamente com algumas
impurezas induzidas pelo processo de síntese, como detritos de grafite
e partículas catalíticas, e existem vários métodos importantes para a
purificação.
Nanotubos de Carbono
Síntese
São de recente interesse, outras técnicas como deposição química em fase de
vapor plasma reforçado (PE-CVD), e ainda outras variações como CVD térmica,
CVD assistida por laser e CVD de alta pressão, que têm sido desenvolvidos para
a produção de CNTs de alta qualidade. Além do processo de
desproporcionamento por alta pressão de monóxido de carbono (HiPCO), no qual
a distribuição de tamanho e diâmetro dos nanotubos pode ser grosseiramente
selecionada através do controle da pressão do CO2
Diferentes métodos de preparação produzem nanotubos de carbono com diferentes propriedades físicas e mecânicas
Nanotubos de Carbono
Os nanotubos têm propriedades físicas e químicas únicas tais como alta resistência mecânica, alta condutividade elétrica e térmica, ampla proporção de superfície por volume, etc. A combinação destas características faz dos CNTs um nanomaterial com grande potencial para diversas aplicações, especialmente na área biomédica.
Propriedades
• Mecânicas – Um dos materiais mais duros conhecidos (semelhante ao
diamante)
– Apresenta resistência mecânica altíssima
– Capaz de suportar pesos
– Alta flexibilidade
• Elétricas – Suportam bem a corrente elétrica
– Podem atuar com característica metálica, semicondutora e até supercondutora
• Térmicas – Apresenta altíssima condutividade térmica na direção do eixo do tubo
Marco Aurélio C. Pacheco – uma introdução a nanotecnologia.
Disponível em htpp//www. Ica.ele.puc-rio.br/cursos/download/nanotecnologia-site.pdf
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Propriedades Importantes
Nanotubos de Carbono
Carreadores de fármacos
Aplicações
Drogas ou biomoléculas pode ser carregado no
interior do tubo ligados às paredes do CNT
Inserção de moléculas núcleo interior, enquanto a
superfície exterior pode ser modificada para alcançar
biocompatibilidade e biodegradação
Funcionalização é um processo químico onde grupamentos funcionais desejados
podem ser introduzidos sobre a parede dos CNTs para várias aplicações. Os CNTs
funcionalizados podem ser utilizados com a finalidade de melhora de
biocompatibilidade, aumento da capacidade de encapsulação, solubilidade, liberação
sustentada, e diagnóstico de imagem.
Nanotubos de Carbono
Carreadores de fármacos
Aplicações
Vários estudos sobre o destino dos nanotubos no organismo
sugeriram que CNTs carregados com as moléculas da droga podem
penetrar facilmente em células e também têm tendência a entrar
no núcleo, assim, a entrega pode ser alcançada em nível celular e nuclear.
Nanotubos de Carbono
Liberação alvo-direcionada
Aplicações
O chitosan é um polímero de origem marinha, derivado de moluscos
e camarões. Quimicamente, é um polissacárido seguro e atóxico que tem
diversas aplicações. O mecanismo básico através do qual este sistema
atinge o seu alvo ação é a sua natureza mucoadesiva. A associação do
chitosan à superfície dos CNTs aumenta a afinidade pelas células,
melhorando a absorção dos fármacos.
Associados a Chitosan
Nanotubos de Carbono
Liberação alvo-direcionada
Aplicações
Nanotubos não alteraram a especificidade de anticorpos anexados a
eles e pode entregar a droga no local de destino por meio de
direcionamento ativo.
Associados anticorpos
Nanotubos de Carbono
Diagnóstico de imagem
Aplicações
Nanotubos podem auxiliar na visualização de órgãos em procedimentos de
diagnóstico por imagem
Atuar na identificação do local de ação das drogas em sistemas de
distribuição específicas.
CNTs demosntraram um grande potencial como agentes de contraste e na
identificação de células cancerosas
Através da ligação de um contraste para ressonância magnética (MRI) os
CNT obtidos podem ser usados como um agente de contraste e
transportadores de droga simultaneamente.
Nanotubos de Carbono
Vacinas
Aplicações
Nanotubos de carbono também foram avaliados na entrega de vacinas, onde
eles ajudam a melhorar a ação da vacina, devido à sua ação como adjuvante
aumentando a exposição ao antígeno. CNTs conjugados com peptídeos
antigênicos podem atuar como um novo sistema de entrega segura e eficaz de
vacinas sintéticas.
Nanotubos de Carbono
Terapia gênica
Aplicações
O maior problema associado com a entrega do gene é a passagem do
DNA através da membrana celular. CNTs parecem auxiliar no transporte de DNA
para o interior células.
Nanotubos de Carbono
Hipertermia Terapêutica no
câncer
Aplicações
O aquecimento de uma área anatômica sem danificar o tecido circundante é
difícil, de modo que o potencial abordagem para resolver este problema envolve
a utilização de nanopartículas que convertem energia electromagnética absorvida
em calor após terem se localizado no tumor. CNTs têm a capacidade de absorver
radiação sub-infravermelha (NIR) (700-1100 nm) e convertê-la em calor, o que
proporciona uma oportunidade para novas estratégias de terapia térmica do
câncer.
Nanotubos de Carbono
Funcionalização
Nanotubos de carbono são insolúveis na maioria dos solventes, são
dificilmente dispersos em soluções aquosas e têm uma forte tendência a interagir
hidrofobicamente e formar agregados. Portanto, para aplicação biológica a
superfície nanotubo precisa de ser modificada, e diferentes estratégias têm sido
adotadas para torná-los biologicamente compatível. Tais modificações podem ser
realizadas por ligação covalente de grupos químicos, adsorção supramolecular
ou empacotamento por moléculas funcionais, ou ainda o preenchimento da
cavidade interna do nanotubo. As modificações podem melhorar a biocompatibilidade e capacidade de
penetrar as membranas celulares, sem produzir um efeito tóxico.
Também oferecer uma plataforma flexível para processos de derivação
posteriores, já que uma ampla variedade de moléculas ativas podem ser ligadas
a um CNT funciolnalizado.
Nanotubos de Carbono
Funcionalização
A funcionalização de nanotubos de carbono para aplicações biomédicas
envolve modificações covalentes ou não-covalente.
Revestimento não covalente com moléculas anfipáticas (como polímeros ou
agentes tensioativos)
Modificações covalentes são realizadas por reação com os átomos de carbono
na parede lateral do NT.
A oxidação e enxerto de polímeros de são amplamente utilizadas.
No processo de oxidação nanotubos brutos são submetidos a ácido nítrico o
que os torna reativos.
Nanotubos de Carbono
Internalização
Considerando que a internalização na célula tem papel
essencial na utilização de NT como carreadores de drogas, a
compreensão do mecanismo através do qual CNTs cruzam a
membrana celular é de extrema importância. Porém, isso não
está totalmente elucidado, sendo sugerido captação por
endocitose/fagocitose.
Funcionalização
Funcionalização
Maior biocompatibilidade/hidrofilicidade
Pré - funcionalização Pós - funcionalização
Funcionalização
Ligação dos nanotubos à lectina
Nanotubos de Carbono
Toxicidade
Os dados de toxicidade são conflitantes. A variação pode ser devido a uma
ampla gama de diâmetros, comprimentos, conteúdo de catalisadores,
funcionalizações, trazendo a necessidade de padronização de protocolos para
determinar com precisão a toxicidade.
Vários estudos avaliaram nanotubos brutos, os mais difíceis de lidar
biologicamente.
Resíduos de catalisadores metálicos desempenham papel importante na
citotoxicidade, já que o stress oxidativo é proposto como um mecanismo de
chave de toxicidade induzida por CNT.
CNTs funcionalizados, sem residuos de metais pesados, tendem a ser
biocompatíveis e atóxico em nível celular.
Nanotubos de Carbono
Conclusões
Para considerar aplicações clínicas, é importante compreender as propriedades farmacológicas e toxicológicas, avaliar
risco/benefício, identificar quais características físico-químicas dos nanotubos são capazes de gerar as respostas desejadas, e o
delineamento de formulações biocompatíveis, efetivas e seguras.
• Nanomaterial naturalmente formado;
• Depósitos em diversos países – Brasil, USA, Europa;
• Biocompatíveis e capturados espontaneamente pelas células
• Possui cavidade com dimensões compatíveis com a maiorias das macromoléculas
• 50-70 nm
Nanotubos de Haloisita (HCNs)
