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Produção e caracterização de nanopartículas polimérico

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  • MINISTRIO DA DEFESA EXRCITO BRASILEIRO

    SECRETARIA DE CINCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

    CURSO DE MESTRADO EM CINCIA DOS MATERIAIS

    PEDRO MARINS BED

    PRODUO E CARACTERIZAO DE NANOPARTCULAS POLIMRICO-MAGNTICAS PARA APLICAES BIOMDICAS

    Rio de Janeiro 2010

  • 2

    INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

    PEDRO MARINS BED

    PRODUO E CARACTERIZAO DE NANOPARTCULAS

    POLIMRICO-MAGNTICAS PARA UTILIZAO BIOMDICA

    Rio de Janeiro

    2010

    Dissertao de Mestrado apresentada ao Curso de

    Mestrado em Cincias dos Materiais do Instituto Militar

    de Engenharia, como requisito parcial para Obteno

    do ttulo de Mestre em Cincia dos Materiais.

    Orientadores: Prof. Marcelo H. Prado da Silva -D.C

    Prof. Priscilla Vanessa Finotelli -D.C

  • 3

    c2010

    INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

    Praa General Tibrcio, 80 Praia Vermelha

    Rio de Janeiro - RJ CEP: 22290-270

    Este exemplar de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poder inclu-lo em

    base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de

    arquivamento.

    So permitidas a meno, reproduo parcial ou integral e a transmisso entre bibliotecas

    deste trabalho, sem modificao de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser

    fixado, para pesquisa acadmica, comentrios e citaes, desde que sem finalidade comercial

    e que seja feita referncia bibliogrfica completa.

    Os conceitos expressos neste trabalho so de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s)

    orientador(es).

    S767 Bed, Pedro M.

    Produo e Caracterizao de Nanopartculas Polimrico-Magnticas para Utilizao Biomdica / Pedro Marins Bed . - Rio de Janeiro : Instituto Militar de Engenharia, 2010.

    61 f. : il., graf., tab. : - cm. Dissertao (mestrado) - Instituto Militar de Engenharia, 2010. 1. Formao.

  • 4

    INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

    PEDRO MARINS BED

    PRODUO E CARACTERIZAO DE NANOPARTCULAS POLIMRICO-MAGNTICAS PARA APLICAES BIOMDICAS

    Dissertao de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Cincia dos

    Materiais do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obteno do

    ttulo de Mestre em Cincia dos Materiais.

    Orientadores: Prof. Marcelo H. Prado da Silva -D.C - IME

    Prof. Priscilla Vanessa Finotelli -D.C - UFRJ

    Aprovada em 24 de Junho de 2010 pela seguinte Banca Examinadora:

    _______________________________________________________________

    Marcelo H. Prado da Silva D.C - IME

    _______________________________________________________________

    Priscilla Vanessa Finotelli D.C - UFRJ

    _______________________________________________________________

    Frederico Caetano Jandre de Assis Tavares D.C - UFRJ

    _______________________________________________________________

    Ronaldo Srgio de Biasi Ph. D - IME

    _______________________________________________________________

    Alexandre Malta Rossi Ph. D - CBPF

    Rio de Janeiro

    2010

  • 5

    A toda populao sofrida, batalhadora, e carente. Que

    um dia vocs possam se beneficiar com os frutos deste

    trabalho.

  • 6

    AGRADECIMENTOS

    Gostaria de agradecer a todas as pessoas que direta ou indiretamente contriburam

    para que esse trabalho pudesse ser concludo, a comear por todas pessoas que de

    forma honesta pagam seus impostos, e que atravs deles meus estudos puderam ser

    custeados.

    Gostaria de agradecer aos meus pais Edgard e Rosngela por tudo o que eles

    deixaram de fazer por eles para fazer pelos filhos, de forma trabalhadora, honesta,

    sacrificada e exemplar. Por minha formao tica e moral, pelo zelo minha educao e

    de meus irmos. Enfim, pelas nossas Vidas.

    A minha Wanessa, por toda compreenso, fora, carinho, incentivo, cumplicidade,

    amor, noites em claro me fazendo companhia, por fazer parte da minha vida e me deixar

    fazer parte da sua. Ah, pelo sorriso mais gostoso do mundo tambm!

    A pequena Lis, pelo carinho e amor, por me fazer rir nos momentos mais

    inesperados, pelo sorriso gostoso que puxou da me, e por me acordar cedo todos os

    dias, at quando eu no queria acordar.

    Aos meus avs, pelos exemplos de dedicao, bondade, amor ao prximo. Em

    especial ao meu av Waldyr Bed in memoriam, que foi o pilar principal da formao dos

    meus valores, companheiro para todas horas. Inesquecvel.

    Ao Sr. Sebastio e Sra. Ftima, por me estenderem as mos e me darem uma

    ajuda, sem a qual eu no sei se conseguiria terminar o curso.

    Ao meu orientador Prof. Marcelo Prado, por me dar a oportunidade de trabalhar

    com ele.

    A minha orientadora Prof. Priscilla Finotelli, pela pacincia, insistncia,

    ensinamentos, e por me colocar num mundo de conhecimentos completamente novos

    para mim.

    A todos que me ajudaram com as anlises, sempre me atendendo com boa

    vontade e prazer. Esse agradecimento em especial para Glucio, do CEPEL, Prof.

    Geraldo, do CBPF, e Valria, do CBPF.

    Ao CNPQ, pelo financiamento atravs da bolsa de estudo.

    Este Trabalho uma conquista no s minha, mas de todos vocs. uma prova de

    que o investimento de vocs no foi em vo.

    A todos vocs uma nica palavra: Obrigado!

  • 7

    Um Homem Grande quando ajuda a construir

    uma grandeza que no dele.

    Waldyr Amaral Bed

  • 8

    SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ 10

    LISTA DE TABELAS ........................................................................................................ 11

    LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................. 12

    LISTA DE SIGLAS ........................................................................................................... 12

    RESUMO ......................................................................................................................... 14

    ABSTRACT ...................................................................................................................... 15

    1 INTRODUO ...................................................................................................... 16

    1.1 Consideraes Gerais .......................................................................................... 16

    1.2 Objetivo do Trabalho ............................................................................................. 17

    2 REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................. 18

    2.1 Nanotecnologia .................................................................................................... 18

    2.2 Nanopartculas Magnticas .................................................................................. 19

    2.2.1 Produo de Nanopartculas Magnticas ............................................................. 23

    2.3 Liberao Controlada de Frmacos ..................................................................... 23

    2.3.1 Mecanismos de Liberao Controlada ................................................................. 25

    2.4 Hipertermia ........................................................................................................... 26

    2.5 Imagem por Ressonncia Magntica ................................................................... 27

    2.6 Biopolmeros ......................................................................................................... 30

    2.6.1 Alginato ................................................................................................................. 31

    2.6.2 Quitosana ............................................................................................................. 33

    2.7 Caracterizao ..................................................................................................... 35

    2.7.1 Difrao de Raios X .............................................................................................. 35

    2.7.2 Microscopia Eletrnica de Transmisso ............................................................... 38

    2.7.3 Magnetometria: SQUID Magntico ...................................................................... 40

    2.7.4 Tamanho das Partculas ....................................................................................... 40

    2.7.5 Potencial Zeta ....................................................................................................... 41

    3 MATERIAIS E MTODOS .................................................................................... 43

    3.1 Materiais ............................................................................................................... 43

    3.1.2 Equipamentos ...................................................................................................... 43

    3.2 Mtodos ................................................................................................................ 44

  • 9

    3.2.1 Obteno da Magnetita (Fe3O4) ........................................................................... 44

    3.2.2 Encapsulamento da Fe3 O4 em Matriz de Alginato/Quitosana .............................. 48

    3.3 Preparao das Amostras para Anlises .............................................................. 49

    4 RESULTADOS E DISCUSSO ............................................................................ 50

    4.1 Difrao de Raios X .............................................................................................. 50

    4.2 Tamanho e Potencial Zeta .................................................................................... 52

    4.2.1 Tamanho .............................................................................................................. 52

    4.2.2 Potencial Zeta ..................................................................................................... 53

    4.3 Microscopia Eletrnica de Transmisso ............................................................... 54

    4.3.1 Espectros de EDS ................................................................................................ 61

    4.4 Medidas Magnticas ............................................................................................. 62

    5 CONCLUSES GERAIS E PROPOSIES FUTURAS ..................................... 66

    5.1 Concluses .......................................................................................................... 66

    5.2 Proposies Futuras ............................................................................................ 66

    6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..................................................................... 68

  • 10

    LISTA DE FIGURAS

    FIG. 1 Estrutura da magnetita. (a) cristal natural, (b) estrutura cristalina da magnetita com O-

    oxignio, A, o ction tetradrico de Fe3+, e B, o ction octadrico de Fe3+ .................. 22

    FIG. 2 Perfil de concentrao plasmtica do frmaco versus tempo, de um frmaco administrado

    convencionalmente, comparado com um sistema de liberao controlada ................... 25

    FIG. 3 Equipamento utilizado para fazer IRM ................................................................................ 28

    FIG. 4 Paciente iniciando o exame de IRM .................................................................................... 29

    FIG. 5 IRM da cabea de um paciente .......................................................................... 29

    FIG. 6.1 Unidade monomrica do alginato: cido B-D-manurnico (M) e cido a-L-Gulurnico(G) 31

    FIG. 6.2 Estrutura molecular das unidades monomricas do alginato ............................................. 32

    FIG. 7.1 Modelo de "egg-box" de gelificao do alginato de clcio .................................................. 32

    FIG. 7.2 Estrutura molecular do modelo de "egg-box" do alginato de clcio .................................... 33

    FIG. 8 Estrutura da Quitosana ........................................................................................................ 33

    FIG. 9 Sistema alginato/quitosana ................................................................................................. 34

    FIG. 10 Esquema de formao de dois tipos de gel de alginato. Alginato de clcio, gel "ionotrpico",

    e complexo alginato/quitosana, polinion .......................................................................... 35

    FIG. 11.1 Se um feixe de raios-x monocromtico dirigido um nico cristal, ento, podero resultar

    apenas um ou dois feixes ................................................................................................... 36

    FIG. 11.2 Se a amostra constituda por algumas dezenas de monocristais orientados ao acaso, os feixes difratados so vistos sobre a superfcie de vrios cones. Os cones podem surgir em

    todas as direes, para frente e para trs .......................................................................... 37

    FIG. 11.3 Uma amostra em p mostra que os feixes difratados formam cones contnuos. Um filme circular utilizado para registrar o padro de difrao, como mostrado. Cada cone

    intercepta o filme dando as linhas de difrao. As linhas so vistas como arcos sobre o

    filme...................................................................................................................................... 37

    FIG. 12 Esquema da estrutura do MET .......................................................................................... 39

    FIG. 13 Faixa de estabilidade de pontecial zeta de uma soluo ................................................... 42

    FIG. 14.1 Purificao do Sulfato de Ferro II ...................................................................................... 45

    FIG. 14.2 Obteno do Cloreto de Ferro II ........................................................................................ 46

    FIG. 14.3 Preparao da Soluo de Cloreto de Ferro III ................................................................. 47

    FIG. 14.4 Sntese da magnetita (Fe3O4) ........................................................................................... 48

    FIG. 14.5 Encapsulamento da magnetita em matriz de alginato/quitosana ....................................... 49

    FIG. 15.1 Difratograma das nanopartculas magnticas. ................................................................... 51

    FIG. 15.2 Difratograma de nanopartculas magnticas encapsuladas em matriz polimrica ............ 51

    FIG. 16.1 Micrografia a um aumento de 97000x, referente fronteira da amostra de nanopartculas

  • 11

    magnticas........................................................................................................................... 54

    FIG. 16.2 Micrografia referente mesma regio de fronteira da amostra de nanopartculas

    magnticas, mas a um aumento de 195000x...................................................................... 55

    FIG. 16.3 Micrografia da mesma regio da amostra, porm a um aumento de 285000x

    ............................................................................................................................................. 56

    FIG. 17.1 Micrografia das nanopartculas magnticas recobertas a um aumento de

    38000x................................................................................................................................. 57

    FIG. 17.2 Micrografia das amostra de NP-PM a um aumento de 71000x

    ............................................................................................................................................. 58

    FIG. 17.3 Micrografia das NP-PM a um aumento de 145000x. A regio destacada referente a duas

    nanopartculas isoladas. ..................................................................................................... 59

    FIG. 17.4 Micrografia da mesma regio a um aumento de 285000x. Os locais destacados so as

    regies onde a EDS ser realizada. ................................................................................... 60

    FIG. 18.1 Espectro de EDS da regio 286 especificada na

    FIG.17.4............................................................................................................................... 61

    FIG. 18.2 Espectro de EDS da regio 287 especificada tambm na FIG.17.4

    ............................................................................................................................................. 61

    FIG. 18.3 Espectro de EDS da regio 288, referente ao aglomerado destacado na FIG.17.4

    ............................................................................................................................................. 62

    FIG. 19.1 Curva MxH a 20k das nanopartculas de magnetita

    ............................................................................................................................................. 63

    FIG. 19.2 Curva MxH a 20k das nanopartculas de magnetita encapsuladas

    ............................................................................................................................................. 64

    FIG. 19.3 Curva MxH a 300k das nanopartculas de magnetita

    ............................................................................................................................................. 64

    FIG. 19.4 Curva MxH a 300k das nanopartculas de magnetita encapsuladas

    ............................................................................................................................................. 65

    LISTA DE TABELAS

    TABELA 1.1 Tamanho das NP magnticas ............................................................................................ 52

    TABELA 1.2 Tamanho das NP polimrico-magnticas .......................................................................... 53

    TABELA 2 Potencial zeta das nanopartculas ..................................................................................... 53

  • 12

    LISTA DE SIGLAS

    IME- Instituto Militar de Engenharia

    UFRJ- Universidade Federal do Rio de Janeiro

    CNPq- Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico

    CBPF- Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas

    CEPEL- Centro de Pesquisas de Energia Eltrica

    LISTA DE ABRAVIATURAS E SMBOLOS

    N : tempo mdio que leva para a magnetizao das nanopartculas mudar em funo

    de variaes trmicas.

    0 : medida de tempo, caracterstica do material, chamado de tempo de tentativa, ou

    perodo de tentativa. Seu valor normalmente de 10-9 ~10-10 segundos.

    K : anisotropia magntica da nanopartcula

    V: volume.

    kb : constante de Boltzman.

    T : temperatura

    N: n de nanopartculas.

    : momento magntico de uma nanopartcula.

    H: campo magntico aplicado.

    L: funo de Langevin

    n: n inteiro determinado pela ordem dada;

    : comprimento de onda dos raios X

    d: espaamento entre os planos

    : ngulo entre o raio incidente e os planos de espalhamento.

    t: tamanho do cristal (nm)

    K: Fator de Scherrer

    : largura a meia altura do pico de difrao

    B: largura a meia altura do pico difratado da amostra

    b: largura a meia altura de um pico do padro difratomtrico numa regio prxima ao

    pico do difratograma

    JCPDS: Joint Committee on Powder Diffraction Standards

    DP: Desvio Padro

  • 13

    IRM: Imagem por Ressonncia Magntica

    Gd-DTPA : Gadolneo cido dietileno triamino penta actico

    MET: Microscopia Eletrnica de Transmisso

    MPMS: Magnetic Property Measurement System

    SQUID: Superconducting Quantum Interference Devices

    NP: Nanopartculas

    NP-PM: Nanopartculas Polimrico-Magnticas

    NP Magnticas: Nanopartculas Magnticas

    DRX: Difrao de Raios X

    EDS: Energy Dispersive Spectroscopy

  • RESUMO

    Foram estudadas a preparao e caracterizao de nanopartculas polimrico-magnticas

    para possvel utilizao biomdica. As nanopartculas utilizadas foram de magnetita (Fe3O4) e os

    polmeros escolhidos foram o alginato e a quitosana. As possveis aplicaes biomdicas so a

    liberao controlada de frmacos, a imagem por ressonncia magntica, e tratamento do cncer

    por hipertermia. Foram preparados dois tipos de amostras: nanopartculas magnticas puras e

    encapsuladas em matriz polimrica. As amostras foram analisadas por difrao de raios X, tcnicas

    de espalhamento de luz (para tamanho e potencial zeta), microscopia eletrnica de transmisso, e

    SQUID magntico. Os picos identificados por difrao de raios X conferem com os da ficha JCPDS

    da magnetita (Fe3O4). O tamanho mdio encontrado atravs do mtodo de Debye-Scherrer foi 10

    nm. No caso da microscopia eletrnica de transmisso, os dimetros ficaram entre 10 e 20 nm para

    a magnetita pura, e 15 e 30nm para a magnetita encapsulada em matriz de alginato e quitosana.

    Os valores de magnetizao variaram de 75 a 100 emu/g para as nanopartculas de magnetita pura

    e 8 a 12emu/g para as recobertas por alginato e quitosana. O campo de saturao de ambas as

    amostras ficou na faixa de 49 a 50 kOe. Verificaram-se variaes nos resultados entre as duas

    amostras em todas as anlises. Essas variaes foram atribudas ao encapsulamento das

    nanopartculas magnticas pelo polmero. As nanopartculas polimrico-magnticas atenderam aos

    requisitos bsicos para sua aplicao biomdica.

    14

  • ABSTRACT

    The preparation and characterization of polymeric-magnetic nanoparticles for possible

    biomedical use were studied. The nanoparticles used were magnetite (Fe3O4) and the polymers

    chosen were alginate and chitosan. The possible biomedical applications are the controlled release

    of drugs, magnetic resonance imaging, and treatment of cancer by hyperthermia. Two types of

    samples were prepared: magnetic nanoparticles pure and encapsulated in polymeric matrix. The

    samples were analyzed by X-ray diffraction, light scattering (for size and zeta potential),

    transmission electron microscopy, and magnetic SQUID. The peaks identified by X-ray diffraction

    are in agreement with the JCDPS file of magnetite (Fe3O4). The average size calculated using the

    Debye-Scherrer technique was 10 nm. In the case of transmission electron microscopy, the

    measured diameters were between 10 and 20 nm for pure magnetite, and between 15 and 30 nm

    for the magnetite encapsulated in alginate and chitosan. The values of magnetization ranged from

    75 to 100 emu/g for nanoparticles of pure magnetite and 8 to 12 emu/g for alginate and chitosan

    coating, at different temperatures. The saturation of both samples was in the range of 49 to 50 kOe.

    There were variations in results between the two samples in all tests. These variations were

    attributed to the encapsulation of magnetic nanoparticles by the polymer. Polymeric-magnetic

    nanoparticles met the basic requirements for biomedical application

    15

  • 16

    1-INTRODUO:

    1.1- CONSIDERAES GERAIS

    Devido ao advento da nanotecnologia, grandes avanos na cincia agora so

    possveis. Na medicina, a nanotecnologia tambm possibilitou uma srie de avanos,

    abrindo um enorme leque de aplicaes. Hoje a medicina desponta como maior e mais

    promissora rea de aplicao nanotecnolgica. E nessa rea que este trabalho

    concentra seus esforos, buscando a produo e caracterizao de um material que

    possa ser aplicado em pesquisas que visem uma melhora na expectativa e qualidade de

    vida da populao, principalmente da grande parcela que no tm acesso a servios de

    sade essenciais e de qualidade devido aos enormes encargos financeiros que so

    cobrados por esses servios. Neste trabalho dada nfase ao transporte e liberao de

    frmacos, obteno de imagem por ressonncia magntica e ao tratamento do cncer.

    Para tal, so aplicadas nanopartculas polimrico-magnticas, e aqui se buscou um

    mtodo de sntese e a caracterizao dessas partculas. importante ressaltar que este

    trabalho se trata de uma pesquisa de base, e como tal, fornece substrato com o qual a

    pesquisa aplicada pode trabalhar, e mais que isso, nos ajuda a entender melhor os

    elementos e processos que nos rodeiam. Aqui se procura conhecer bem as propriedades

    do material sintetizado, pois tal conhecimento fundamental para suas aplicaes. Uma

    maior descrio das nanopartculas magnticas e suas aplicaes ser dada nos

    captulos a seguir.

  • 17

    1.2- OBJETIVOS DO TRABALHO

    Este trabalho tem como finalidade a produo e caracterizao de nanopartculas

    polimrico-magnticas com possvel utilizao biomdica, em especial no transporte e

    liberao de frmacos no corpo, como contraste para exames de imagem por ressonncia

    magntica, e para o tratamento do cncer por hipertermia.

  • 18

    2- REVISO BIBLIOGRFICA

    2.1- NANOTECNOLOGIA:

    O conceito original de nanotecnologia envolve a construo de estruturas em

    escala molecular e a manipulao de materiais em uma escala atmica (cerca de dois

    dcimos de um nanmetro). A nanotecnologia tambm pode ser definida como o estudo e

    uso de estruturas com tamanho entre 1 e 100 nanmetros. Um nanmetro definido

    como um bilionsimo de metro. Para se ter ideia de como pequeno, ter-se-ia que

    colocar 800 partculas com tamanho de 100 nanmetros lado a lado para se conseguir

    alcanar a largura de um fio de cabelo (BOYSEN, 2007).

    Por sculos cientistas vem estudando e trabalhando com nanopartculas, porm a

    eficincia dos seus trabalhos tem sido prejudicada pela incapacidade de ver a estrutura

    das nanopartculas. Nas ltimas dcadas, o desenvolvimento de microscpios e outros

    equipamentos capazes de mostrar e caracterizar partculas to pequenas quanto tomos

    permitiu aos cientistas verem e entenderem, de fato, com o que eles esto trabalhando

    (BOYSEN, 2007).

    A capacidade de detectar materiais nanomtricos gerou um mundo de

    possibilidades em inmeros setores, isso porque a nanotecnologia essencialmente um

    conjunto de tcnicas que permitem a manipulao das propriedades dos materiais em

    uma escala muito pequena, e pode ter inmeras aplicaes, tais como:

    MEDICINA:

    Direcionamento e controle de frmacos;

    Tcnicas teraputicas;

    Tcnicas de diagnstico e imagem;

    Tcnicas anti-bacterianas;

    Reparao celular.

    Biomateriais.

    ENERGIA:

    Clulas combustveis;

    Clulas solares;

    Baterias;

  • 19

    Combustveis;

    ELETRNICA:

    Armazenamento de dados;

    Telas planas;

    MEIO AMBIENTE:

    Membranas seletivas para remover contaminantes ou sal da gua;

    Novas possibilidades de reciclagem;

    INDSTRIA AUTOMOBILSTICA / AERONUTICA:

    Detectores de agentes qumicos e orgnicos;

    Sistemas miniaturizados de observao;

    Tecidos mais leves.

    2.2- NANOPARTCULAS MAGNTICAS:

    At recentemente, os esforos na rea de nanotecnologia se concentravam quase

    totalmente na eletrnica, nos computadores, nas telecomunicaes ou na manufatura de

    materiais. Porm, hoje podemos afirmar que a nanotecnologia biomdica vem assumindo

    a liderana nas pesquisas, e que vem produzindo avanos significativos em diagnsticos,

    terapias, biologia molecular e bioengenharia (ZULMIRA, 2004), tendo talvez como

    principal responsvel por esse avano, uso de nanopartculas magnticas.

    As nanopartculas magnticas podem ser definidas como a classe de

    nanopartculas que podem ser manipuladas usando um campo magntico, e que

    normalmente so constitudas de elementos magnticos, como ferro, nquel, cobalto e

    seus compostos. As propriedades fsicas e qumicas dessas nanopartculas dependem

    fortemente do mtodo de sntese e da sua estrutura qumica. Seus tamanhos geralmente

    esto entre um e 100 nm, e podem apresentar superparamagnetismo quando o dimetro

    estiver nessa faixa (AN-HUI LU et al, 2006). Esse magnetismo, que aparece em pequenas

    partculas ferromagnticas ou ferrimagnticas, que so aquelas que mesmo na ausncia

    de campo magntico externo apresentam magnetizao no-nula, caracterizado

    principalmente pela alta susceptibilidade magntica e a ausncia de histerese nesses

    materiais (SCHULZ, 2009). O superparamagnetismo ocorre em nanopartculas que

  • 20

    possuem um nico domnio magntico, e a magnetizao da nanopartcula considerada

    como um nico enorme momento magntico, soma de todos os momentos magnticos

    individuais carregados pelos tomos das nanopartculas. As transies de materiais

    ferrimagnticos ou ferromagnticos em superparamagnticos ocorrem abaixo da

    temperatura de Curie, que a temperatura na qual esses materiais se tornam

    paramagnticos (PIROTA, 2009). Nesse estado superparamagntico, existe uma

    probabilidade finita para que a magnetizao da nanopartcula mude e reverta sua

    direo. O tempo mdio entre duas mudanas de direo chamado de tempo de

    relaxao de Nel Tn, e dado pela equao de Nel-Arrhenius (NEL, 1949):

    Onde:

    N : o tempo mdio que leva para a magnetizao das nanopartculas mudar em funo

    de variaes trmicas.

    0 : uma medida de tempo, caracterstica do material, chamado de tempo de tentativa,

    ou perodo de tentativa. Seu valor normalmente de 10-9 ~10-10 segundos.

    K : a anisotropia magntica da nanopartcula, e V o volume.

    kb : a constante de Boltzman.

    T : a temperatura.

    interessante que esse tempo N pode ser de alguns nanosegundos a at anos ou

    mais tempo. Nota-se que N uma funo exponencial do volume das partculas (ou

    gros). Isso evidencia o fato de que em alguns materiais muito granulados ou em

    nanopartculas grandes, essa probabilidade de mudana na direo da magnetizao

    torna-se insignificante (SCHULZ, 2009).

    importante destacar a dependncia do tempo de medida da magnetizao. Se

    esse tempo for muito maior que N, a magnetizao das nanopartculas ir mudar vrias

    vezes durante a medio, resultando numa magnetizao medida igual a zero. Se o

    tempo de medida for muito menor que tN, a magnetizao no ir mudar durante a

    medida, logo a magnetizao medida ser o prprio momento magntico das

    nanopartculas (MORUP and TRONC, 1994).

    No primeiro caso, as nanopartculas parecero estar no estado

    superparamagntico, enquanto que no segundo caso elas parecero estar no estado

  • 21

    ferromagntico. A transio entre os estados superparamagnticos e ferromagnticos se

    d quando o tempo de medida for igual ao tempo de Nel. possvel em experimentos

    fixar o tempo de medida e variar a temperatura, de modo que a transio de estado

    magntico se d em funo dessa mesma. A temperatura para a qual o tempo de medida

    igual ao tempo de Nel chamada de temperatura de bloqueio, na qual abaixo dela, a

    magnetizao parece estar bloqueada na escala de tempo de medio (MORUP and

    TRONC, 1994).

    Na presena de um campo magntico externo aplicado s nanopartculas

    superparamagnticas, elas tendem a se alinhar ao longo do campo magntico, levando

    uma magnetizao lquida. Caso essas nanopartculas sejam idnticas e estejam

    aleatoriamente orientadas, o ciclo de histerese ser uma funo de Langevin, dada por:

    Com dado por:

    Onde:

    N: o n de nanopartculas.

    : o momento magntico de uma nanopartcula.

    H: o campo magntico aplicado.

    L: a funo de Langevin

    A inclinao inicial da curva MxH a funo da susceptibilidade magntica das

    nanopartculas magnticas, de modo que:

    Essa equao mostra que nanopartculas grandes tm momento magntico grande

    e, como consequncia, uma grande susceptibilidade magntica. A partir da, possvel

    concluir que nanopartculas superparamagnticas se comportam como paramagnticas

  • 22

    com uma susceptibilidade muito grande, tendo a saturao da magnetizao ocorrendo a

    campos magnticos muito fortes, devido ao fato que para mud-la, necessrio mudar a

    magnetizao como um todo. Isso consequncia direta de que essas nanopartculas

    apresentam monodomnio magntico (SCHULZ, 2009).

    O campo magntico necessrio para reverter a direo da magnetizao de uma

    nanopartcula de monodomnio chamado coercividade. Em outras palavras, o campo

    magntico necessrio para reduzir a magnetizao do material zero, aps essa

    magnetizao alcanar a saturao (BERTOTTI, 1998).

    Dentre as nanopartculas magnticas, as que mais vm se destacando em

    aplicaes biomdicas so as nanopartculas de xido de ferro, mais precisamente a

    magnetita (Fe3O4) e a maghemita (-Fe2O3). A magnetita um dos minrios mais

    empregados para a obteno do ferro. Esse minrio um xido de ferro misto com FeO e

    Fe2O3 apresentando estrutura de espinlio invertida, com ons O2- de empacotamento

    cbico, os ons maiores Fe2+ nos interstcios octadricos, a metade dos ons Fe3+ em

    stios octadricos e a metade restante em posies tetradricas. A magnetizao do

    Fe3O4 ocorrer com a presena de campo magntico externo, desaparecendo quando o

    campo for retirado. Esse efeito devido a no conservao da orientao magntica dos

    tomos individuais (SIDHU, 1978 apud FINOTELLI, 2006).

    FIG.1 Estrutura da magnetita. (a) cristal natural, (b) estrutura cristalina da magnetita com O- oxignio, A, o ction tetradrico de Fe3+, e B, o ction octadrico de Fe3+ (SCHULZ, 2009).

    A maghemita tambm um xido de ferro, conhecida como -Fe2O3. Ela possui a

    estrutura cristalina (e natureza fortemente magntica) da magnetita, porm a composio

  • 23

    a mesma da hematita. A estrutura da maghemita de espinlio defeituoso, deficiente

    em ferro, ou seja, no existem Fe3+ suficientes para o preenchimento de todos os stios

    tetradricos e octadricos (SCHULZ, 2009).

    2.2.1- PRODUO DE NANOPARTCULAS MAGNTICAS:

    Existem diversos mtodos de se produzir nanopartculas magnticas como o

    mtodo Cermico Convencional, o mtodo de Reao de Combusto, Microemulso,

    mtodo Sol-Gel. Neste trabalho foi utilizado o mtodo de Coprecipitao de Fe+2 e Fe+3

    em soluo de NH4OH, que ser descrito, em detalhes, posteriormente. Em seu trabalho,

    Montagne, et. al., 2002, produziu nanopartculas de maghemita a partir da coprecipitao

    de Fe+2 e Fe+3 com a utilizao de hidrxido de amnio e posterior adio de cido olico.

    J Igartua, et. al., 2001, preparou nanopartculas de magnetita a partir da coprecipitao

    de FeCl2 e FeCl3 em soluo de HCl (10%) na presena de hidrxido de amnio e

    subsequente recobrimento com cido olico. Caiser, et. al., 2002, utilizou o mtodo sol-gel

    para produzir nanopartculas de xido de ferro.

    Dentre as aplicaes biomdicas dessas nanopartculas magnticas, vamos

    destacar trs:

    - Liberao Controlada de Frmacos;

    - Hipertermia;

    - Imagem por Ressonncia Magntica.

    2.3- LIBERAO CONTROLADA DE FRMACOS:

    Podemos definir como sistemas de liberao controlada aqueles nos quais o

    agente ativo liberado independentemente de fatores externos e com uma cintica bem

    estabelecida. Esses sistemas de liberao oferecem inmeras vantagens quando

    comparados a outros de dosagem convencional (KUMAR, 2000). Dentre essas

    vantagens, podemos destacar (FINOTELLI, 2006):

    i) Maior eficcia teraputica, com liberao progressiva e controlada do frmaco, a

    partir da degradao da matriz ou controlada externamente, por difuso.

  • 24

    ii) Diminuio significativa da toxicidade e maior tempo de permanncia na circulao;

    iii) Natureza e composio dos veculos variada e, ao contrrio do que se poderia

    esperar, no h predomnio de mecanismos de instabilidade e decomposio do

    frmaco (bio-inativao prematura);

    iv) Administrao segura (sem reaes inflamatrias locais) e conveniente (menor

    nmero de doses);

    v) Direcionamento a alvos especficos, sem imobilizao significativa das espcies

    bioativas;

    vi) Tanto substncias hidroflicas quanto lipoflicas podem ser incorporadas.

    Para mostrar a importncia desses mecanismos de liberao, sero ilustradas duas

    situaes de administrao de um medicamento, mostradas na FIG.1: A situao A, em

    que um determinado medicamento liberado de forma controlada e a situao B, em que

    liberado de forma convencional. Na situao B, aps a ingesto ou injeo de formas de

    dosagem padro, o nvel sanguneo da droga aumenta, vai at um mximo e ento decai

    exponencialmente quando o frmaco excretada e/ou metabolizada, requerendo a

    administrao de vrias doses ao dia (DASH & CUDWORTH II, 1998 E LANGER, 1990).

    J que tais frmacos tm uma faixa teraputica acima da qual txica e abaixo da qual

    ineficaz, as oscilaes dos nveis da droga podem causar perodos alternantes de

    ineficincia e toxicidade (LANGER, 1990). Por essa razo, o desenvolvimento de

    dispositivos de liberao controlada que podem manter um nvel desejado no plasma por

    um longo perodo sem alcanar o nvel txico ou ir alm de um nvel efetivo mnimo, fato

    que ilustrado na situao A, de grande interesse.

  • 25

    2.3.1- MECANISMOS DE LIBERAO CONTROLADA:

    Os sistemas que se assemelham aos processos biolgicos nos quais a quantidade

    de frmaco liberada funo das necessidades fisiolgicas, so conhecidos como

    sistemas open loop, em contraposio aos closed loop (SERSHEN et al, 2002). Os

    mecanismos externos de ao estimulante liberao do ncleo das cpsulas nos

    sistemas open loop so baseados em suas propriedades magnticas, eltricas, e

    trmicas, e na ao do ultra-som e da radiao quando aplicados nanocpsulas

    (FINOTELLI, 2006). No caso particular, quando nanopartculas magnticas esto

    uniformemente dispersas em uma matriz polimrica, e esta entra em contato com o

    sistema biolgico, ocorre a difuso normal do frmaco devido ao gradiente de

    concentrao. Porm, se aplicarmos um campo magntico externo oscilante, uma maior

    quantidade de frmaco poder ser liberada mais rapidamente (DASH & CUDWORTH II,

    1998). Os parmetros considerados crticos para a regulao da liberao incluem a

    posio, orientao, e fora magntica das partculas embutidas no polmero, e ainda a

    amplitude e frequncia do campo magntico aplicado. Alm dos parmetros ligados s

    FIG. 2 Perfil de concentrao plasmtica do frmaco versus tempo, de um frmaco administrado convencionalmente (B), comparado com um sistema de liberao controlada (A) (DASH & CUDWORTH II - adaptada)

  • 26

    partculas magnticas e ao campo magntico, a natureza do polmero tambm deve ser

    levada em considerao. Caso a matriz polimrica no seja biodegradvel no corpo

    humano, ela ter que ser removida, caso se trate de um implante, atravs de uma

    cirurgia, implicando em um alto custo e risco para o paciente (FINOTELLI, 2006). Da a

    necessidade da utilizao de polmeros biodegradveis, que se fragmentem em pedaos

    menores, no txicos, e que possam ser excretados facilmente pelo corpo.

    2.4- HIPERTERMIA:

    A hipertermia uma terapia promissora para a cura e tratamento do cncer (YANG

    et al, 2006, ZHAO et al, 2006). Os componentes envolvidos nessa terapia so materiais

    magnticos como xidos de ferro (ferrofluidos) e tcnicas como aplicao de campo

    magntico oscilante. A aplicao deste campo em fluidos magnticos capaz de gerar

    calor pela transformao de energia magntica em trmica, elevando a temperatura local

    a uma faixa de 41 a 46C, na qual se mata a clula tumoral sem matar a clula normal

    (ZHAO et al, 2006). Segundo Zhao, et al (2006), as partculas transformam a energia do

    campo magntico oscilante em calor por mecanismos fsicos (agitao das nanopartculas

    magnticas devido presena do campo magntico oscilante) e a eficincia dessa

    transformao depende fortemente da frequncia do campo externo e da natureza das

    partculas. Esse aquecimento varia em funo do tamanho e da microestrutura das

    partculas, pois essas caractersticas iro influenciar profundamente em suas

    propriedades magnticas (ATSUMI et al, 2007). As clulas tumorais so sensveis a

    variaes de temperatura. Assim, em presena de ferrofluidos e com a aplicao de um

    campo magntico, pode-se eliminar clulas tumorais in vivo e in vitro por hipertermia

    (JORDAM et al., 1999).

    Os fluidos magnticos so colides de partculas magnticas constitudos de

    magnetita (Fe3O4), maghemita (-Fe2O3), dixido de cromo (CrO2) e outros, que so

    facilmente sintetizados em escala laboratorial. Segundo D.H. Kim, et al (2005), esta

    aplicao de hipertermia exige que as nanopartculas magnticas possuam altos valores

    de magnetizao para altos valores de energia trmica, e tamanho menor que 50nm, com

    estreita distribuio de tamanho de partculas. Alm disso, para aplicao em hipertermia,

    essas nanopartculas magnticas necessitam de um revestimento superficial especial,

  • 27

    que deve ser, no s no-txico e biocompatvel, mas que tambm permita o

    direcionamento das partculas a uma rea especfica. Por causa de suas superfcies

    hidrofbicas e a grande rea superficial em relao ao volume, na utilizao in vivo de

    nanopartculas magnticas, estas tendem a se aglomerar e serem liberadas rapidamente

    pela circulao. Evitar esses obstculos possvel se a superfcie das nanopartculas for

    modificada por um polmero biocompatvel.

    A primeira aplicao clnica de hipertermia utilizando nanopartculas magnticas em

    seres humanos foi realizada por johannsen et. al (2005) em pacientes com cncer de

    prstata. Os resultados mostraram que o mtodo foi bem tolerado, sendo que as

    nanopartculas magnticas permaneceram na prstata por algumas semanas, permitindo

    assim tratamentos seqenciais de hipertermia, dispensando repetidas aplicaes do fluido

    magntico. As nanopartculas magnticas podem ser associadas ainda a anticorpos

    monoclonais especficos para membranas de clulas tumorais. Quando administrado,

    este conjugado potencializa o contraste de imagem na ressonncia magntica,

    possibilitando que metstases sejam localizadas de forma mais eficiente e precoce, para

    posteriormente eliminar as clulas tumorais por hipertermia (SCHUTT, et. al, 1995).

    2.5- IMAGEM POR RESSONNCIA MAGNTICA:

    A ressonncia magntica uma tcnica cujos primeiros trabalhos datam da dcada

    de 70. Ela foi desenvolvida a partir de conhecimentos adquiridos no estudo da

    ressonncia magntica nuclear. Apesar de nos primeiros anos a tcnica ficar conhecida

    pelo nome de imagem por ressonncia magntica nuclear, a palavra nuclear era

    associada pelo pblico exposio a radiao ionizante. Ento se optou apenas por

    imagem por ressonncia magntica (IRM).

    Ela essencialmente uma tcnica de imagem mdica, talvez a mais comumente

    utilizada em radiologia, para visualizar a estrutura detalhada e funo limitada do corpo. A

    IRM fornece contraste muito maior entre diferentes tecidos moles do corpo do que a

    tomografia computadorizada, tornado-se especialmente til nas imagens neurolgicas,

    msculo-esquelticas, cardiovasculares e oncolgicas.

    Ao contrrio da tomografia computadorizada, a IRM no utiliza radiao ionizante,

    e sim um poderoso campo magntico para alinhar a magnetizao de, mais comumente,

    tomos de hidrognio e carbono presentes na gua do corpo. Frequncias de radio so

  • 28

    usadas para sistematicamente alterar o alinhamento dessa magnetizao, fazendo com

    que os tomos de hidrognio produzam um campo magntico rotativo que pode ser

    detectado por um scanner. Este sinal pode ser manipulado por campos magnticos

    adicionais para acumular informaes suficientes para construir uma imagem do corpo.

    Na FIG.3 possvel visualizar um equipamento de IRM.

    O corpo composto em grande parte de molculas de gua, cada uma contendo

    dois tomos ou prtons de hidrognio. Quando uma pessoa colocada dentro do forte

    campo magntico do scanner, os momentos magnticos desses prtons se alinham na

    direo do campo. Um campo eletromagntico de frequncia de rdio ento brevemente

    ativado, fazendo com que os prtons alterem seu alinhamento em relao ao campo. Ao

    se desligar esse campo, os prtons tendem a retornar para o alinhamento da

    magnetizao original. So justamente essas mudanas no alinhamento que criam um

    sinal que pode ser detectado pelo scanner. A frequncia na qual os prtons iro ressoar

    depende da intensidade do campo magntico. A posio dos prtons no corpo pode ser

    determinada com a aplicao de campos magnticos adicionais durante a varredura, que

    permitem que uma imagem do corpo seja criada. Isto feito ligando e desligando as

    bobinas gradientes que compem o equipamento, e como consequncia, tem-se a

    gerao dos sons de batidas durante a varredura.

    Tecidos doentes, como tumores, podem ser detectados porque os prtons de

    diferentes tecidos retornam ao seu estado de equilbrio taxas diferentes. Ao se alterar os

    parmetros do scanner, esse efeito usado para criar um contraste entre diferentes tipos

    FIG. 3 Equipamento utilizado para fazer IRM (GOULD, 2000)

  • 29

    de tecido do corpo. As FIG.3 e 4 mostram o interior de um aparelho de IRM e uma

    imagem gerada por ressonncia magntica, respectivamente.

    FIG. 4 Paciente iniciando o exame de IRM (GOULD, 2000)

    FIG. 5 IRM da cabea de um paciente (GOULD, 2000)

  • 30

    Para melhorar esse contraste, pode-se utilizar agentes de contraste, que melhoram

    a aparncia dos vasos sanguneos, tumores ou inflamaes. Esses agentes podem ser

    injetados via intravenosa, ou no caso de imagem das articulaes, podem ser injetados

    direto na articulao. O contraste mais utilizado o Gd-DTPA (Gadolneo cido dietileno

    triamino penta actico). Esses agentes so considerados paramagnticos e atuam

    diminuindo o tempo de relaxao dos prtons da gua, ou seja, eles aumentam a

    velocidade com que os prtons da gua se alinham ao campo magntico principal. Isso

    resulta em um maior sinal de RM e maior contraste.

    Nanopartculas superparamagnticas de xido de ferro podem aumentar a

    capacidade de contraste em exames de IRM, devido as suas propriedades magnticas.

    As grandes vantagens na utilizao dessas nanopartculas so as modificaes qumicas

    que podem ser feitas para torn-las no-txicas, injetveis, compatveis com o corpo, e

    capazes de se concentrar em um alto nvel no tecido ou rgo de destino, e tambm a

    natureza fortemente magntica dessas nanopartculas, as tornando excelentes agentes

    de contraste (POOJA, 2006). Segundo Pooja, com algum desenvolvimento avanado

    destes agentes, uma quantidade muito pequena de material ser eficiente para produzir

    bastante contraste entre tecidos tumorais e bons.

    (texto baseado em GOULD, 2000).

    possvel observar que nas trs aplicaes citadas das nanopartculas

    superparamagnticas, existe uma extrema necessidade de que essas nanopartculas

    tenham sua superfcie recoberta, ou seja, que elas estejam de certa maneira

    encapsuladas por algum material que melhore sua interao com o corpo, e que no caso

    do sistema de liberao controlada de frmaco, essencial para o aprisionamento do

    mesmo. Em geral, os materiais mais indicados para essas funes so os biopolmeros.

    2.6- BIOPOLMEROS:

    Os biopolmeros so produzidos por organismos vivos, como plantas e micro

    organismos. Celulose e amido, protenas e peptdeos e DNA e RNA, so exemplos de

    biopolmeros, no qual as unidades monomricas so, respectivamente, acares,

    aminocidos e nucleotdeos.

    Biopolmeros esto presentes em qualquer organismo, e na maioria desses

    organismos eles contribuem para a maior frao da matria seca celular. Eles possuem

    uma ampla gama de funes essenciais ou benficas para os organismos: Conservao e

  • 31

    expresso de informao gentica, catlises de reaes, armazenamento de carbono,

    nitrognio, fsforo e outros nutrientes, armazenamento de energia, defesa e proteo

    contra ataques de outras clulas, mediadores de aderncia a superfcies de outros

    organismos ou de matria no-viva, e muito mais. Alm disso, muitos biopolmeros so

    componentes estruturais de clulas, tecidos ou organismos inteiros. Para cumprir todas

    essas funes, os biopolmeros precisam apresentar propriedades bastante

    diversificadas.

    Para a realizao deste trabalho, foram utilizados dois biopolmeros: o Alginato e a

    Quitosana.

    2.6.1- ALGINATO:

    O alginato um polissacardeo verstil produzido comercialmente a partir de algas

    marinhas. Ele afeta as propriedades de escoamento de uma soluo sua reologia.

    Essas propriedades so importantes na preparao de alimentos, formulaes

    farmacuticas e aplicaes mdicas especializadas, como encapsulamento celular

    (LEIMONE et al, 1998). O alginato um copolmero linear composto de cido -D-

    Manurnico (M) e cido -L-Gulurnico (G) (Fig. 5.1). Esses monmeros so arranjados

    em estrutura de blocos, sendo que sua composio e distribuio variam com a fonte do

    alginato (CHAN et al, 2002). Essa estrutura de blocos determina as propriedades fsicas

    do polissacardeo e particularmente no tipo de gel formado (FINOTELLI, 2006). As FIG.

    5.1 e 5.2 ilustram a estrutura molecular do alginato.

    FIG. 6.1 Unidade monomrica do alginato: cido B-D-manurnico (M) e cido a-L-Gulurnico(G) (FINOTELLI, 2006)

  • 32

    O alginato forma um forte gel na presena de ctions divalentes, principalmente o

    clcio, por meio de ligaes inicas cruzadas entre as cadeias polinicas do alginato

    (BOISSESON et al, 2004). Essa gelificao do alginato convencionalmente descrita em

    termos do modelo de egg box, onde ctions divalentes so ligados coordenadamente

    aos carboxilatos dos cidos gulurnicos (ISKAKOV et al, 2002), como mostrado nas FIG.

    6.1 e 6.2. A conformao do cido gulurnico d a distncia adequada dos grupos

    carboxilas e hidroxilas dando um alto grau de coordenao com os ons de clcio

    (FINOTELLI, 2006). O alginato tambm apresenta uma tima biocompatibilidade.

    FIG. 6.2 Estrutura molecular das unidades monomricas do alginato (FINOTELLI, 2006)

    FIG. 7.1 Modelo de "egg-box" de gelificao do alginato de clcio (FINOTELLI, 2006)

  • 33

    2.6.2- QUITOSANA:

    A quitosana um polissacardeo com muitas propriedades biolgicas e qumicas

    relevantes, como biodegrabilidade, biocompatibilidade, policatinico, hidrogel, contm

    grupos reativos OH e NH2, entre outras. A quitosana obtida a partir da desacetilao da

    quitina, que o elemento estrutural do exoesqueleto de crustceos (caranguejos,

    camares, etc) (CANELLA et al, 2001). constituda de copolmeros de glicosamina e N-

    acetilglicosamina. A FIG. 7 ilustra a estrutura da quitosana.

    A quitosana pode ser usada para a preparao de vrios complexos polieletrlitos

    FIG. 7.2 Estrutura molecular do modelo de "egg-box" do alginato de clcio (FINOTELLI, 2006)

    FIG. 8 Estrutura da Quitosana (FINOTELLI, 2006).

  • 34

    com polinions naturais, que esto sendo investigados para aplicaes em liberao de

    frmacos e protenas, transplante de clulas, imobilizao de enzimas, entre outras

    (FINOTELLI, 2006). O complexo quitosana/alginato pode ser o mais importante para as

    aplicaes objetivadas nesse trabalho. Esses complexos so formados a partir da forte

    interao eletrosttica dos grupos amino da quitosana com os grupos carboxilas do

    alginato (MURATA et al, 1999), como mostrado nas FIG. 8 e 9. A estabilidade do complexo

    quitosana/alginato pode ser influenciada por parmetros como o pH e fora inica, devido

    a protonao do grupo amino da quitosana e a ionizao do grupo cido carboxlico do

    alginato (FINOTELLI, 2006).

    FIG. 9 Sistema alginato/quitosana (FINOTELLI, 2006)

  • 35

    2.7- CARACTERIZAO:

    2.7.1- DIFRAO DE RAIOS X:

    A difrao de raios X uma tcnica verstil e no-destrutiva que revela

    informaes sobre a estrutura cristalogrfica de materiais naturais e sintticos.

    A estrutura cristalina uma distribuio regular tridimensional de tomos no

    espao. Estes esto organizados de modo a formar uma srie de planos paralelos

    separados entre si por uma distncia d, que varia conforme a natureza do material. Para

    qualquer cristal, os planos existem em uma srie de orientaes diferentes cada uma

    com seus prprios espaamentos d especficos.

    Quando um feixe de raios X monocromtico com comprimento de onda incide

    sobre um material cristalino em um ngulo , a difrao ocorre somente quando a

    distncia percorrida pelos raios refletidos de planos sucessivos difere por um nmero n

    inteiro de comprimento de onda.

    Variando o ngulo , as condies da Lei de Bragg so satisfeitas pelos diferentes

    espaamentos d em materiais policristalinos. A relao das posies angulares e

    intensidades dos picos difratados resultantes da radiao produzem um padro, que

    caracterstico da amostra. Onde houver a mistura de diferentes fases, o difratograma

    FIG. 10 Esquema de formao de dois tipos de gel de alginato. Alginato de clcio, gel "ionotrpico", e complexo alginato/quitosana, polinion (HOFFMAN, 2002).

  • 36

    resultante ser formado pela adio dos padres individuais.

    A lei de Bragg dada pela seguinte expresso:

    onde:

    n = n inteiro determinado pela ordem dada;

    = comprimento de onda dos raios X;

    d = espaamento entre os planos;

    = o ngulo entre o raio incidente e os planos de espalhamento.

    As FIG. 11.1 a 11.3 ilustram o chamado mtodo de p ou Lauie, de difrao de

    raios X.

    FIG. 11.1 Se um feixe de raios-x monocromtico dirigido um nico cristal, ento, podero resultar apenas um ou dois feixes (MATTER, 2000).

  • 37

    A difrao de raios X um mtodo poderoso para o estudo de nanomateriais. Estes

    materiais tm um tamanho de estrutura caracterstico, comparvel com as escalas de

    FIG. 11.2 Se a amostra constituda por algumas dezenas de monocristais orientados ao acaso, os feixes difratados so vistos sobre a superfcie de vrios cones. Os cones podem surgir em todas as direes, para frente e para trs (MATTER, 2000).

    FIG. 11.3 Uma amostra em p mostra que os feixes difratados formam cones contnuos. Um filme circular utilizado para registrar o padro de difrao, como mostrado. Cada cone intercepta o filme dando as linhas de difrao. As linhas so vistas como arcos sobre o filme (MATTER, 2000).

  • 38

    comprimento crtico de fenmenos fsicos, dando-lhes propriedades mecnicas, ticas e

    eletrnicas nicas. Difratogramas de nanomateriais fornecem uma riqueza de informaes

    de composio de fase a tamanho de cristalito, da distoro da malha orientao

    cristalogrfica.

    O tamanho mdio de cristalito pode ser obtido atravs da frmula de Scherrer, que

    dada por:

    t = K / cos

    = (B2 b2)

    onde: onde t = tamanho do cristal (nm); K = Fator de Scherrer; = comprimento de onda

    do raio X (nm); = largura a meia altura do pico de difrao (radianos); = ngulo de

    Bragg (radianos); B = largura a meia altura do pico difratado da amostra; e b = a largura a

    meia altura de um pico do padro difratomtrico numa regio prxima ao pico do

    difratograma. Para as medidas efetuadas, K = 0,89. (CULLITY, B.D., 1978, e MATTER,

    2000).

    2.7.2- MICROSCOPIA ELETRNICA DE TRANSMISSO:

    A microscopia eletrnica de transmisso (MET) talvez a tcnica mais adequada

    quando se deseja obter imagens diretas de nanopartculas. No MET, uma amostra

    irradiada com um feixe de eltrons de densidade de corrente uniforme; a energia dos

    eltrons est na faixa de 60~150 KeV. O feixe de eltrons pode ser gerado por fontes

    termo-inicas, na qual h o aquecimento de um filamento de tungstnio ou hexaboreto de

    lantnio, ou por fontes de emisso de campo, onde h a gerao de campos eltricos

    intensos em formas pontiagudas, como por exemplo, uma ponta de tungstnio, que com

    raio menor que 0,1 mm, pode gerar sob um potencial de 1 KeV, um campo eltrico de

    1010 V/m, baixando significativamente a barreira de potencial e permitindo assim o

    tunelamento dos eltrons para fora do tungstnio.

    Um microscpio eletrnico de transmisso consiste de uma fonte emissora de

    eltrons e um conjunto de lentes eletromagnticas que controlam o feixe emitido,

    encerrados em uma coluna evacuada com uma presso cerca de 10-5 mmHg. A FIG. 11

    ilustra a estrutura do MET.

  • 39

    FIG. 12 Esquema da estrutura do MET (ALBERTS, 2002)

    Um equipamento moderno possui cinco ou seis lentes magnticas, alm de vrias

    bobinas eletromagnticas de deflexo e aberturas localizadas ao longo do caminho do

    feixe eletrnico. Entre estes componentes, destacam-se os trs seguintes pela sua

    importncia com respeito aos fenmenos de difrao eletrnica: lente objetiva, abertura

    objetiva e abertura seletiva de difrao. A funo das lentes projetoras apenas a

    produo de um feixe paralelo e intenso suficiente na incidncia sobre a superfcie da

    amostra.

    Os eltrons saem da amostra pela superfcie inferior com uma distribuio de

    intensidade e direo controladas principalmente pelas leis de difrao impostas pelo

    arranjo cristalino dos tomos da amostra. Em seguida, a lente objetiva acionada,

    formando a primeira imagem desta distribuio angular dos feixes eletrnicos difratados.

    Aps esse processo da lente objetiva, as lentes restantes servem apenas para aumentar

    a imagem ou diagrama de difrao para futura observao na tela ou na chapa

    fotogrfica.

    A imagem observada a projeo de uma determinada espessura do material,

    havendo diferena com relao ao observado numa superfcie. H uma projeo de

    linhas, reas e volumes de interesse, podendo ocorrer superposio.

    O contraste nas imagens formadas em MET tem diversas origens, tais como

    diferena de espessura, diferena de densidade ou de coeficiente de absoro de

    eltrons (contraste de massa), difrao e campos elsticos de tenso. (WILLIAMS, D. B. e

    CARTER, C. B.).

  • 40

    2.7.3- MAGNETOMETRIA: SQUID MAGNTICO.

    SQUID a sigla para Superconducting Quantum Interference Devices, que so

    magnetmetros muito sensveis utilizados para medir campos magnticos extremamente

    fracos.

    O dispositivo de SQUID composto basicamente de um anel supercondutor

    interrompido por uma juno Josephson, pois o princpio de funcionamento baseado no

    efeito Josephson e na quantizao do fluxo magntico em um circuito supercondutor

    fechado. O MPMS (Magnetic Property Measurement System) configurado para

    trabalhar em um amplo intervalo de temperatura e campos magnticos. Se equipado com

    um forno especial, pode atingir at 800k como temperatura mxima.

    O processo normal de medida consiste basicamente em posicionar a amostra no

    interior das bobinas detectoras, fazendo-a atravessar todo percurso enquanto o sinal de

    sada do detector SQUID medido.

    A vantagem de se utilizar o SQUID que se pode medir a magnetizao em

    amostras muito pequenas e ainda assim obter resultados muito satisfatrios.

    (Informaes retiradas do manual do equipamento MPMS XL da Quantum Design Inc).

    A caracterizao das propriedades magnticas das nanopartculas extremamente

    importante, uma vez que todas as aplicaes citadas neste trabalho dependem

    diretamente dessas propriedades.

    2.7.4- TAMANHO DAS PARTCULAS:

    O tamanho das nanopartculas magnticas e das NP-PM pode ser determinado por

    equipamentos que empregam a tcnica de espalhamento de luz. Por essa tcnica,

    quando um raio luminoso atravessa uma disperso coloidal e atinge uma nanopartcula

    em movimento browniano, ocorre o espalhamento da luz. O equipamento relaciona o

    tamanho das partculas com a quantidade de luz espalhada. possvel determinar um

    dimetro hidrodinmico mdio, porcentagem de distribuio de tamanho e ndice de

    polidispersividade (XU, 2007). uma medida importante, pois o tamanho das

    nanopartculas precisa estar em um intervalo bem definido para que apresentem o

    superparamagnetismo e para que possam ser utilizados em aplicaes biomdicas.

  • 41

    2.7.5- POTENCIAL ZETA:

    Potencial Zeta uma abreviao de potencial eletrocintico em sistemas coloidais.

    Do ponto de vista terico, todos os materiais macroscpicos ou particulados em contato

    com um lquido, adquirem uma carga eltrica em sua superfcie. A carga lquida na

    superfcie da partcula afeta a distribuio de ons na sua vizinhana, aumentando a

    concentrao de contra-ons junto superfcie. Assim, forma-se uma dupla camada

    eltrica na interface da partcula com o lquido.

    Essa dupla camada divide-se em duas regies: uma regio interna que inclui ons

    fortemente ligados superfcie e uma regio exterior onde a distribuio dos ons

    determinada pelo equilbrio entre foras eletrostticas e movimento trmico. Dessa forma,

    o potencial nessa regio decai com o aumento da distncia da superfcie at, a uma

    distncia suficientemente segura, atingir o potencial da soluo. Esse potencial

    convencionado como Potencial Zero.

    Em um campo eltrico, como em microeletroforese, cada partcula e os ons mais

    fortemente ligados mesma se movem como uma unidade, e o potencial no plano de

    cisalhamento entre essa unidade e o meio circundante chamado Potencial Zeta. Esse

    potencial funo da carga superficial da partcula, de qualquer camada adsorvida na

    interface com o meio, e da natureza e composio do meio que a circunda. Como esse

    potencial reflete a carga efetiva nas partculas, ele se relaciona com a repulso

    eletrosttica entre elas e com a estabilidade da suspenso. O Potencial Zeta tambm

    varia em funo do pH da soluo que se deseja analisar, conforme ilustrado na figura

    12.

    A regra geral para a estabilidade eletrosttica da soluo a faixa de Potencial

    Zeta de +/- 30 mV (ANDRADE, et. al, 2008). Se o potencial da soluo estiver fora dessa

    faixa, ento a soluo pode ser considerada estvel. A FIG. 13 ilustra esta regra.

    (Informaes obtidas em Zeta Potential Overview, da empresa Brookhaven Instruments)

  • 42

    FIG. 13 Variao do Potencial Zeta de uma soluo em funo do pH (ANDRADE, 2008)

  • 43

    3- MATERIAIS E MTODOS:

    3.1- MATERIAIS:

    Os materiais utilizados em todas as etapas do processo de produo das

    nanopartculas polimrico-magnticas esto listados abaixo:

    -Alginato de Sdio Fluka Biochemika

    -Quitosana Aldrich

    -Cloreto de clcio VETEC

    -Hidrxido de Amnio VETEC

    -Todos os reagentes utilizados na sntese da magnetita so da marca VETEC.

    3.1.2- EQUIPAMENTOS:

    A seguir, foi feita uma descrio dos equipamentos utilizados para a caracterizao

    das nanopartculas polimrico-magnticas:

    a) DIFRAO DE RAIOS X:

    A difrao de raios X foi realizada num equipamento XPert PRO (Panalytical). O

    mtodo utilizado foi o mtodo do p, utilizando radiao K1 do cobre, com comprimento

    de onda () igual a 1,54056 . As medidas foram realizadas com corrente de 40mA e

    tenso de 40 kV. Foram realizadas duas medidas: Fe3O4 pura e Fe3O4 encapsulada em

    matriz polimrica. Os picos foram identificados seguindo o arquivo do JCPDS n 19-0629

    referente magnetita (Fe3O4).

    b) TAMANHO E POTENCIAL ZETA:

    As medidas de tamanho e potencial zeta foram realizadas em um aparelho ZETA

    PLUS ANALYZER, da empresa BROOKHAVEN INSTRUMENTS CORPORATION. Foram

    feitas medidas de partculas magnticas de Fe3O4 encapsuladas e no encapsuladas. Os

    parmetros do ZETA PLUS utilizados para as medidas foram: cinco corridas de 30

    segundos cada, em gua ultrapurificada Milli-Q, com ndice de refrao igual a 1,340. Foi

  • 44

    utilizado um aparelho de ultrassom para desaglomerar as amostras antes das anlises.

    c) MICROSCOPIA ELETRNICA DE TRANSMISSO:

    A microscopia eletrnica de transmisso foi realizada num equipamento FEI Tecnai

    G20, com fonte de 200 kV. Foram realizadas medidas das nanopartculas magnticas

    encapsuladas e no-encapsuladas em matriz polimrica em diversos aumentos. Tambm

    foi realizada EDS das partculas encapsuladas.

    d) MEDIDAS MAGNTICAS (SQUID):

    A caracterizao magntica foi feita usando um magnetmetro Quantum Design

    MPMS-5S SQUID. Foram realizadas medidas a 20K e 300K das amostras de Fe3O4 pura

    e Fe3O4 encapsulada.

    3.2- MTODOS:

    O processo de obteno das nanopartculas de magnetita foi dividido em quatro

    etapas, descrita a seguir, assim como o encapsulamento dessas nanopartculas em matriz

    de alginato/quitosana.

    3.2.1- OBTENO DA MAGNETITA (Fe3O4):

    - dividida em quatro etapas:

    a) purificao do sulfato de ferro II;

    b) obteno do cloreto de ferro II;

    c) preparao da soluo de cloreto de ferro III;

    d) sntese da magnetita.

    a) PURIFICAO DO SULFATO DE FERRO II:

    Inicialmente foi preparada uma soluo de cido sulfrico 50% (p/v). Em seguida,

  • 45

    diluiu-se 15g de FeSO4.7H2O nessa soluo. Posteriormente, a soluo foi aquecida a

    60C e mantida sob agitao. Enquanto o ferro metlico (Fe0) foi adicionado lentamente e

    em pouqussimas quantidades, at se observar a saturao da soluo. Aps a

    saturao, a soluo foi resfriada at a temperatura ambiente, e depois colocada em

    banho de gelo para recristalizao do sulfato de ferro II purificado, em um perodo mximo

    de 24 horas.

    Aps esse tempo, filtrou-se vcuo e os cristais foram pesados e armazenados em

    um dessecador at a utilizao. A FIG.14.1 ilustra esta essa etapa:

    FIG. 14.1 Purificao do Sulfato de Ferro II

    b) OBTENO DO CLORETO DE FERRO II:

    A reao de obteno do FeCl2 dada por:

    FeSO4.7H2O + CaCl2.2.H2O CaSO4 + FeCl2 + 9.H2O

    Para tanto se preparou uma soluo de cloreto de clcio 1,9M e de sulfato de ferro

  • 46

    II purificado 1,42M. As duas solues foram misturadas, gerando um precipitado branco,

    referente ao sulfato de clcio. Promoveu-se uma centrifugao por 10 minutos 6000

    rpm, em uma temperatura de 20C. Aps a centrifugao, separou-se o sobrenadante

    para posterior utilizao, e descartou-se o precipitado. Esse procedimento ilustrado pela

    FIG.14.2:

    FIG. 14.2 Obteno do Cloreto de Ferro II

    c) PREPARAO DA SOLUO DE CLORETO DE FERRO III:

    Foi preparada uma soluo de FeCl3 0,86M. Para isso, dissolveu-se 6,757 g do sal em

    gua destilada e transferiu-se para um balo volumtrico de 50 mL. A FIG.14.3 representa

    essa etapa:

  • 47

    FIG. 14.3 Preparao da Soluo de Cloreto de Ferro III

    d) SNTESE DA MAGNETITA:

    A magnetita obtida atravs do mtodo de coprecipitao de Fe II e Fe III em meio

    alcalino de acordo com a reao:

    2FeCl3 + FeCl2 + 8NH4OH Fe3O4 + 8NH4Cl + 4H2O

    Primeiramente as solues de FeCl2 e FeCl3 foram misturadas e mantidas sob

    agitao mecnica e temperatura de 60C durante 15 minutos. Posteriormente, foram

    gotejados 200 mL de hidrxido de amnio 25% (NH4OH) mistura de FeCl2+FeCl3. Ao

    trmino do gotejamento, a soluo permaneceu mais 15 minutos a 60C. Durante esse

    processo, o pH deve ser controlado e mantido na faixa de 11-12.

    A suspenso contendo a magnetita foi ento resfriada at a temperatura ambiente.

    Depois, a suspenso foi centrifugada por 5 minutos a 6000 rpm e 20C. Todo o

    sobrenadante foi descartado, e o precipitado lavado com 50 mL de gua destilada e

    centrifugado novamente. Por fim, o precipitado foi liofilizado e armazenado em

    dessecador. Todo o processo mostrado na FIG.14.4:

  • 48

    FIG. 14.4 Sntese da magnetita (Fe3O4).

    Com esse conjunto de processos, conseguiu-se obter a magnetita (Fe3O4) com a

    pureza desejada para a realizao deste trabalho.

    3.2.2- ENCAPSULAMENTO DA Fe3O4 EM MATRIZ DE ALGINATO/QUITOSANA:

    O primeiro passo foi preparar uma soluo de alginato de sdio (9,5mL e 0,06%),

    uma soluo de cloreto de clcio (0,5mL, 18mM), e 2mL de soluo de quitosana 0,05%.

    Na soluo de alginato de sdio foi misturado 0,0024g de magnetita.

    Aps o preparo das solues, a soluo de CaCl2 foi gotejada lentamente, com

    uma seringa, na soluo de alginato+Fe3O4, que por sua vez foi constantemente agitada

    por um aparelho de ultrassom de pino (sonicador), para que pudesse ocorrer a total

    mistura das solues. importante ressaltar que o recipiente da soluo de alginato +

    Fe3O4 estava em banho de gelo durante todo o processo, para que se evitasse o

    aquecimento da mesma em funo da utilizao do ultrassom. Aps o gotejamento da

    soluo de CaCl2, o mesmo processo foi repetido com a soluo de quitosana, sendo esta

    gotejada em, agora, alginato de clcio + Fe3O4. Ao trmino do processo, a soluo

    permaneceu em agitao por mais 20 minutos.

    Essa soluo foi mantida em repouso por 24h, para que a magnetita no

  • 49

    encapsulada se precipitasse no fundo do recipiente. O sobrenadante foi ento retirado e

    armazenado para os testes de caracterizao. A FIG.14.5 ilustra o processo de

    encapsulamento das nanopartculas:

    FIG. 14.5 Encapsulamento da magnetita em matriz de alginato/quitosana

    3.3- PREPARAO DAS AMOSTRAS PARA ANLISES:

    a) DIFRAO DE RAIOS X:

    Ambas as amostras, encapsuladas e no-encapsuladas, foram utilizadas na forma

    de p.

    b) MICROSCOPIA ELETRNICA DE TRANSMISSO:

    As amostras, ainda em suspenso, foram gotejadas nos portas-amostra e secadas

    temperatura ambiente.

    c) ESPALHAMENTO DE LUZ:

    Antes de serem colocadas nos portas-amostra para anlise, as amostras, ainda em

    suspenso, foram sonicadas durante um minuto.

  • 50

    d) MEDIDAS MAGNTICAS (SQUID):

    Para as medidas magnticas, ambas as amostras tiveram que ser utilizadas na

    forma de p.

    4- RESULTADOS E DISCUSSO:

    Para todos os testes foram preparadas duas amostras, A e B, referentes s

    nanopartculas de ferro no-encapsuladas e encapsuladas em matriz polimrica.

    4.1- DIFRAO DE RAIOS X:

    Foram realizadas duas medidas de difrao de raios X: I) Fe3O4, II) Fe3O4

    encapsulado em complexo polimrico de alginato/quitosana. As medidas foram realizadas

    com o objetivo de identificar o tipo de xido de ferro e comparar os difratogramas das

    nanopartculas de xido de ferro puro e encapsulado em matriz polimrica. Os picos

    identificados no difratograma da FIG. 15.1 so caractersticos da magnetita (Fe3O4). Ao se

    comparar o difratograma das nanopartculas magnticas encapsuladas (FIG. 15.2) com o

    das no-encapsuladas (FIG. 15.1), percebe-se imediatamente a variao causada no

    difratograma devido forte presena de material amorfo que , nesse caso, o complexo

    alginato+quitosana. A boa definio dos picos de reflexo da amostra de Fe3O4,

    resultando em um timo padro de difrao, pode revelar uma amostra extremamente

    pura e muito bem cristalizada. Isso pode confirmar que o mtodo utilizado na obteno da

    magnetita vlido. O tamanho de cristalito calculado atravs do mtodo de Scherrer foi

    de 10nm.

  • 51

    I) Fe3O4:

    FIG. 15.1 Difratograma das nanopartculas magnticas.

    II) Fe3O4 + Polmero:

    FIG. 15.2 Difratograma de nanopartculas magnticas encapsuladas em matriz polimrica

  • 52

    4.2- TAMANHO E POTENCIAL ZETA:

    4.2.1- TAMANHO:

    As medidas de tamanho so importantes para se definir o melhor mtodo de

    preparo das amostras, j que se busca uma faixa de tamanho que reflita diretamente nas

    propriedades do material. O dimetro mdio das nanopartculas magnticas, que

    mostrado na Tabela 1.1, foi de 155,8nm, com polidisperso mdia de 0,213, e das

    nanopartculas magnticas encapsuladas, mostrado na Tabela 1.2, foi de 255,0nm, com

    polidisperso mdia de 0,330. Esses valores de polidisperso revelam uma distribuio

    estreita de tamanho, e uma homogeneidade das nanopartculas, indicando a estabilidade

    e controle do dimetro das mesmas (KULKAMP, 2009). Em seu trabalho, Ma (2006),

    sintetizou nanopartculas de magnetita (Fe3O4) recobertas com alginato, e encontrou

    dimetro mdio de 193,8 nm, e com ndice de polidisperso de 0,209. Ahmad, (2007),

    sintetizou nanopartculas de alginato/quitosana e obteve dimetro mdio de 229nm com

    ndice de polidisperso de 0,44 dessas nanopartculas. importante enfatizar que esse

    dimetro provavelmente referente aglomerados, e no nanopartculas isoladas . A

    possvel confirmao disso poder surgir atravs da anlise de microscopia eletrnica de

    transmisso. O fato de que as nanopartculas encapsuladas apresentaram maior tamanho

    mdio do que as no encapsuladas pode ser associado ao prprio recobrimento

    polimrico dessas nanopartculas. Devido a esses pequenos tamanhos, se espera que o

    material apresente as propriedades magnticas desejadas, porm isso s poder ser

    confirmado atravs da caracterizao dessas propriedades.

    Tabela 1.1 Tamanho das NP magnticas

    MEDIDAS DIMETRO (nm) POLIDISPERSO

    1 150,4 0,195 2 160,9 0,242 3 145,1 0,190 4 163,4 0,209 5 159,2 0,231

    MDIA 155,8 0,213 ERRO 3,5 0,010

  • 53

    Tabela 1.2 Tamanho das NP polimrico-magnticas

    MEDIDAS DIMETRO (nm) POLIDISPERSO

    1 230,0 0,677 2 248,7 0,199 3 260,6 0,327 4 271,9 0,260 5 263,7 0,184

    MDIA 255,0 0,330 ERRO 7,3 0,091

    4.2.2- POTENCIAL ZETA:

    As medidas de potencial zeta foram realizadas a fim de descobrir se o material

    apresenta boa estabilidade eletrosttica quando em suspenso. A regra geral para a

    estabilidade eletrosttica da soluo a faixa de Potencial Zeta de +/- 30 mV. Como o

    potencial zeta das trs amostras est fora dessa faixa, podemos considerar que as

    amostras esto estveis. Um fator importante a ser considerado a presena da

    quitosana no material. Pode-se perceber uma variao do potencial entre as amostras

    com e sem quitosana, sendo aquelas que possuem a quitosana, mais estveis. Isso pode

    ser consequncia direta do fato de que a quitosana age como um inibidor de cargas

    superficiais existentes no alginato, contribuindo assim para uma melhor estabilidade. A

    Tabela 2 mostra a variao do Potencial Zeta entre as nanopartculas recobertas e no

    recobertas.

    Tabela 2 Potencial zeta das nanopartculas

    pH Amostra Potencial Zeta mdio 3,61 NP-PM c/ quitosana -37,59 mV 2,89 3,61 NP-PM s/ quitosana -30,63 mV 0,79 3,61 NP magnticas -30,45 mV 2,72

  • 54

    4.3- MICROSCOPIA ELETRNICA DE TRANSMISSO:

    I) Nanopartculas magnticas no-encapsuladas:

    As FIG.16.1 a 16.3 so referentes as nanopartculas magnticas sem o

    encapsulamento, nas quais se observa que apresentam uma forma quase esfrica e que

    tm uma forte tendncia a se aglomerarem. Nota-se tambm que o dimetro est entre 10

    e 20nm, o que permite a essas nanopartculas apresentarem comportamento

    superparamagntico. Em seu trabalho, Kim et al, (2006), sintetizou nanopartculas de

    Fe3O4 recobertas com quitosana, e observou dimetro mdio de 10,3nm.

    FIG. 16.1 Micrografia a um aumento de 97000x, referente fronteira da amostra de nanopartculas magnticas

  • 55

    FIG. 16.2 Micrografia referente mesma regio de fronteira da amostra de nanopartculas magnticas, mas a um aumento de 195000x

  • 56

    II) Nanopartculas magnticas encapsuladas:

    As FIG. 17.1 a 17.4 so referentes as nanopartculas magnticas encapsuladas em

    matriz polimrica (NP-PM). Pode-se observar que elas esto mais dispersas, o que

    possibilita melhor visualizao de suas formas quase esfricas. Essa menor aglomerao

    pode estar ligada ao fato das nanopartculas magnticas estarem encapsuladas em uma

    matriz de alginato e quitosana, e uma vez que a quitosana atua nessa matriz como um

    inibidor de cargas superficiais, tem-se como resultado uma melhor estabilidade das

    nanopartculas e consequente reduo da aglomerao das mesmas. Pode-se tambm

    notar nas micrografias dois grupos de partculas: partculas claras e escuras, referentes as

    FIG. 16.3 Micrografia da mesma regio da amostra, porm a um aumento de 285000x

  • 57

    NP-PM e as nanopartculas magnticas, respectivamente. Essas nanopartculas

    magnticas provavelmente no foram encapsuladas por estarem em excesso, e

    possvel notar, como nas micrografias anteriores, uma forte tendncia a se aglomerarem.

    Percebe-se que as NP-PM tambm formam aglomerados, consequncia da presena de

    cargas superficiais, ainda que em menor quantidade. Porm possvel distinguir melhor

    as nanopartculas encapsuladas umas das outras do que as no-encapsuladas. Em

    relao ao tamanho, o dimetro est na faixa de 15 a 30nm, o que possibilita a essas NP-

    PM apresentarem comportamento superparamagntico. Essas micrografias tambm

    confirmam que o dimetro encontrado nas anlises de tamanho por tcnicas de

    espalhamento luz referente aglomerados de nanopartculas. Em seu trabalho, MA et

    al, (2006), observou em NP-PM de magnetita (Fe3O4) recobertas com alginato, dimetro

    mdio de 10nm. Foi realizada tambm a espectroscopia de energia dispersiva (EDS) das

    NP-PM nas nanopartculas destacadas pelo retngulo vermelho para confirmar a

    presena do alginato nas mesmas.

    FIG. 17.1 Micrografia das nanopartculas magnticas recobertas a um aumento de 38000x

  • 58

    FIG. 17.2 Micrografia das amostra de NP-PM a um aumento de 71000x.

  • 59

    FIG. 17.3 Micrografia das NP-PM a um aumento de 145000x. A regio destacada referente a duas nanopartculas isoladas.

  • 60

    FIG. 17.4 Micrografia da mesma regio a um aumento de 285000x. Os locais destacados so as regies onde a EDS ser realizada.

    Tambm foi realizada a EDS de uma regio de aglomerado prximo as

    nanopartculas destacadas. No espectro das trs regies aparecem os picos do ferro e do

    clcio, o que pode confirmar o encapsulamento das nanopartculas magnticas em

    alginato. Porm, no espectro da regio do aglomerado se percebe um crescimento muito

    acentuado do pico do ferro e um decrscimo do pico do clcio, o que pode confirmar

    maior presena de nanopartculas magnticas no-encapsuladas do que encapsuladas.

    As FIG. 18.1, 18.2, e 18.3 mostram esses espectros.

  • 61

    4.3.1- Espectros de EDS:

    FIG. 18.1 Espectro de EDS da regio 286 especificada na FIG.17.4.

    FIG. 18.2 Espectro de EDS da regio 287 especificada tambm na FIG.17.4.

  • 62

    FIG. 18.3 Espectro de EDS da regio 288, referente ao aglomerado destacado na FIG.17.4

    4.4- MEDIDAS MAGNTICAS (SQUID):

    As medidas de magnetizao das amostras A e B so mostradas nas FIG. 19.1 a

    19.4, as temperaturas de 20K e 300K. Em 20K, o campo de saturao das amostras A e B

    foi de aproximadamente 50KOe, e em 300K, de 49KOe. Os valores mximos de

    magnetizao nas nanopartculas de Fe3O4 sem recobrimento variaram de 75 a 100

    emu/g, em 300K e 20K, respectivamente, e nas nanopartculas de Fe3O4 com

    recobrimento variaram de 8 a 12emu/g, em 300K e 20K, respectivamente. Em 300K, se

    observa uma reduo na magnetizao de ambas as amostras quando comparada com a

    mesma medida em 20K. Uma maior reduo observada entre as amostras A e B. Essa

    reduo pode estar associada ao encapsulamento da magnetita, de modo que a esfera de

    alginato funcione como uma barreira para a magnetizao. Se o alginato recobrir

    completamente as nanopartculas de Fe3O4, a magnetizao ir decair significativamente

    (DENIZOT et al.: 1999). Essa reduo tambm pode estar associada a dois fatores: o

    processo de secagem das amostras encapsuladas e, principalmente, a concentrao de

    Fe3O4 utilizada na preparao das mesmas. Outro fato importante a ser destacado que

    ambas as amostras, a 20K e 300K, praticamente no apresentaram histerese,

    apresentando coersividade quase nula. Esse fato pode confirmar o carter

  • 63

    superparamagntico das amostras. Em seu trabalho, Ma, (2006), encontrou valores de

    magnetizao para as nanopartculas de magnetita (Fe3O4) encapsuladas em matriz de

    alginato variando de 30 a 55 emu/g, a temperatura ambiente. Ma, (2006), associa essa

    variao concentrao de Fe3O4 utilizada na sntese de suas amostras, O campo de

    saturao encontrado por Ma, (2006), em todas as suas amostras foi pouco maior que

    10KOe, valor este quase seis vezes menor quando comparado aos encontrados neste

    trabalho.

    FIG. 19.1 Curva MxH a 20K das nanopartculas de magnetita

  • 64

    FIG. 19.2 Curva MxH a 20K das nanopartculas de magnetita encapsuladas

    FIG. 19.3 Curva MxH a 300K das nanopartculas de magnetita

  • 65

    FIG. 19.4 Curva MxH a 300K das nanopartculas de magnetita encapsuladas

  • 66

    5- CONCLUSES GERAIS E PROPOSIES FUTURAS:

    5.1- Concluses:

    Com a inteno de produzir um material que atenda s aplicaes biomdicas

    descritas no captulo 2, as nanopartculas de alginato e magnetita foram sintetizadas com

    sucesso. A natureza do xido de ferro (magnetita-Fe3O4) foi confirmada atravs da

    identificao dos picos de difrao na anlise de DRX. Tambm foi feita a medida de

    tamanho de cristalito atravs do mtodo de Debye, encontrando como resultado um

    dimetro mdio de 10nm. O material apresentou boa estabilidade, medida atravs do

    potencial zeta, e tamanho ideal, que pde ser medido atravs do espalhamento de luz e

    microscopia eletrnica de transmisso. A microscopia tambm permitiu fazer uma anlise

    morfolgica do material, confirmando a forma quase esfrica esperada das

    nanopartculas. A boa magnetizao e o carter superparamagntico do material foram

    confirmados atravs das medidas de SQUID magntico. Apesar da reduo (esperada) na

    magnetizao das nanopartculas encapsuladas em relao as no-encapsuladas, esta

    reduo no se torna um impedimento para a aplicao dessas nanopartculas. Apesar

    das dificuldades encontradas durante a realizao desse trabalho, pode-se, atravs dos

    resultados obtidos, concluir que o material apresenta bom potencial para as aplicaes

    biomdicas, criando timas perspectivas para o futuro. Com o aprimoramento dos

    mtodos de produo e anlises mais sofisticadas e especficas de caracterizao do

    material, se espera que as nanopartculas polimrico-magnticas possam representar o

    futuro dos sistemas de liberao de frmacos, tratamento do cncer e como contraste

    para IRM. Cientistas do mundo inteiro esto aplicando seus esforos nessas reas,

    configurando um cenrio que converge para uma maior democratizao do tratamento de

    doenas, cujo custo para tal no est ao alcance da maioria da populao. Nesse cenrio,

    o uso das nanopartculas polimrico-magnticas pode surgir como uma alternativa barata,

    segura e acessvel para essa grande parcela da populao.

    5.2- Proposies Futuras:

    Com o objetivo de utilizar, de fato, as nanopartculas polimrico-magnticas

    sintetizadas em aplicaes biomdicas, se faz necessrio aprofundar os conhecimentos

    sobre o comportamento destas no corpo. Para tal, se prope as seguintes etapas:

  • 67

    1- analisar o comportamento in vitro e in vivo das nanoparticulas polimerico-magneticas,

    com o objetivo de avaliar a biocompatibilidade e biodegradabilidade dessas

    nanopartculas;

    2- aperfeioar a sntese das nanopartculas polimrico-magnticas, visando maior uma

    padronizao do processo de produo;

    3- avaliar a capacidade de encapsulamento das nanopartculas polimrico-magnticas;

    4- realizar testes de liberao de frmacos das nanopartculas-magnticas;

    5- avaliar in vitro a variao da temperatura local em funo do campo magntico

    oscilante aplicado s nanopartculas polimrico-magnticas;

    6- avaliar comportamento das NP-PM em plasma;

  • 68

    6- REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

    AHMAD, Z., Pharmacokinetic and pharmacodynamic behaviour of antitubercular drugs encapsulated in alginate nanoparticles at two doses, International Journal of

    Antimicrobial Agents, 27, 409416, 2006.

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  • 69

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    CANELLA, K.M.N.C.; GARCIA, R.B. Caracterizao de Quitosana por Cromatografia de Permeao em Gel Influncia do