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LUCIANA SANTOS AFONSO DE MELO SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA APLICAÇÕES EM TERAPIA FOTODINÂMICA E ESPECTROSCOPIA RECIFE Abril/2011

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LUCIANA SANTOS AFONSO DE MELO

SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA APLICAÇÕES EM

TERAPIA FOTODINÂMICA E ESPECTROSCOPIA

RECIFE

Abril/2011

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LUCIANA SANTOS AFONSO DE MELO

SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA APLICAÇÕES EM

TERAPIA FOTODINÂMICA E ESPECTROSCOPIA

Tese apresentada à Coordenação do Programa de

Pós-graduação em Ciência de Materiais, Centro

de Ciências Exatas e da Natureza, Universidade

Federal de Pernambuco, para a obtenção do grau

de Doutora.

Orientador:

Prof. Dr. Anderson S. L. Gomes.

Co-orientador:

Patrícia M. A. Farias.

Orientador Externo ao Programa:

Renato E de Araújo.

RECIFE

Abril/2011

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Catalogação na fonte

Bibliotecário Vimário C. da Silva, CRB 4-1204

Melo, Luciana Santos Afonso de.

Síntese de nanopartículas metálicas para aplicações em terapia fotodinâmica e

espectroscopia. / Luciana Santos Afonso de Melo. - Recife: a Autora, 2011.

152 f.: fig.

Orientador: Anderson S. L. Gomes.

Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Pernambuco. CCEN. Ciências de

Materiais, 2011.

Inclui bibliografia.

1. Ciência de materiais. 2. Nanomateriais. 3. Pectina. 4. Terapia fotodinâmica. I. Gomes, Anderson S. L. II. Título.

620.11 (22. ed.) FQ 2011-029

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AGRADECIMENTOS

A meu Orientador, Professor Anderson S. L. Gomes, pela confiança ao ter aceitado

orientar esta tese, pela amizade, pelos conselhos dados e pela ajuda no amadurecimento

profissional.

Ao Professor Renato Araújo, por mais esta colaboração. Pela amizade, paciência,

sugestões e pela ajuda fundamental na discussão dos resultados.

À Professora Patrícia M. A. Farias, pela co-orientação.

À FACEPE e ao CNPQ pelo auxílio financeiro.

Aos professores Sidney Ribeiro e Younes Messaddeq, do Instituto de Química UNESP-

Araraquara, pela confiança e forma generosa com a qual me acolheram em seu grupo de

pesquisas. Pela colaboração, dedicação, interesse e pela amizade que sempre

demonstraram por mim, sendo a participação fundamental para a realização deste

trabalho.

Ao Professor José Albino Aguiar, Coordenador do Programa de pós-graduação em

Ciência de Materiais.

Aos técnicos do CETENE, Departamento de Física da UFPE e do Instituto de Química

da UNESP/ Araraquara, que auxiliaram na caracterização dos materiais empregados

nesta tese.

Aos amigos do Laboratório de Optoeletrônica e Fotônica, do Departamento de Física da

UFPE: Christian Dominguez, Cynthia Feijó, Bernardo Kyotoku, Douglas Vitoreti,

Marco Sacilotti e Rogério Maltez.

Aos amigos do Grupo de Materiais Fotônicos (UNESP-Araraquara): Adalberto Araújo,

Alexandre Gatti, Anne Jaqueline, César Polachini, Danilo Manzani, Denise De Salvi,

Hernane Barud, Igor, Karina Nigoghossian, Kíria Arruda, Lucas, Maurício Kaiut,

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Robson Rosa da Silva, Sílvia Helena Santagneli, Sybele Saska, Tâmara Joyce,

Wanderson, Yannik Lademi, pela amizade conquistada, pela disposição em ajudar no

meu aprendizado de química, nas discussões e sugestões que engrandeceram esta

pesquisa.

Às Professoras Adriana Fontes e Beate Santos e todos os amigos do Laboratório de

Nanoestruturas e Interfaces Biológicas – UFPE.

Ao Professor Celso P. de Melo e aos alunos do grupo do Laboratório de Polímeros não

Convencionais do Departamento de Física – UFPE, pela ajuda no uso dos equipamentos

empregados na caracterização dos materiais.

A Maria Virgínia da S. Barbosa, técnica responsável pelo laboratório de química do

Departamento de Física, UFPE.

Aos colegas do Programa de Pós-graduação em Ciência de Materiais, em especial,

Claudilene Chaves, Clécio Santos, Gemima Barros, Geórgia Virgínia e Ronaldo Melo e

Sergio Campelo.

Aos funcionários da secretaria de Pós-graduação em Ciência de Materiais.

A meus pais Ildimar e Jair.

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RESUMO

Nanopartículas de prata são empregadas com freqüência na Biomedicina em

biossensores, técnicas de diagnóstico preventivo, melhoras na aquisição de imagens e

como agentes terapêuticos. Muitas vezes, estas aplicações estão fundamentadas nas

propriedades ópticas, oriundas da ressonância dos plasmons. O objetivo desta tese foi a

preparação e caracterização de nanopartículas de prata a partir de diferentes técnicas

para aplicação em espectroscopia óptica e terapia fotodinâmica. Foram empregados três

métodos diferentes de síntese: o primeiro trata-se da síntese proposta pro Lee e Meisel,

seguida da ablação a laser; o segundo refere-se à síntese de nanopartículas de prata

revestidas por pectina e o último método, refere-se à preparação de nanopartículas de

prata funcionalizadas com grupamentos amina, revestidas com Jeffamina. Também

foram sintetizadas membranas de celulose impregnadas com nanopartículas de prata,

para posterior aplicação no combate de infecções da cavidade oral. As partículas com

revestimento de pectina foram avaliadas em meios fluorescentes (triptofano e pontos

quânticos de CdTe/CdS), promovendo um aumento da fluorescência. Quando as

mesmas nanopartículas foram testadas com a riboflavina, observou-se um aumento na

geração de oxigênio singleto, pois as nanopartículas de prata auxiliam o aumento da

população dos estados excitados tripletos.

PALAVRAS-CHAVE: Ciência de materiais. 2. Nanomateriais. 3. Pectina. 4. Terapia

fotodinâmica.

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ABSTRACT

Silver nanoparticles are usually employed in biomedical devices as biosensors,

diagnosis techniques, to improve images techniques and as therapeutic agents. Most

applications are based on optical properties of silver nanoparticles, which are coming

from plasmon resonance. The aim of this thesis was to prepare silver nanoparticles by

using different methods and apply to them in optical spectroscopy and photodynamic

therapy. Three different synthesis methods were presented: the first one was purposed

by Lee and Meisel, followed by laser ablation; the second one is a technique which

allows preparing covered pectin silver nanoparticles and the last technique is about

engineering Jeffamine covered silver nanoparticles with amine free radicals. Bacterial

cellulose membranes impregnated with silver nanoparticles also were prepared and were

indicated to be later used to treat oral infections. Pectin covered silver nanoparticles

were evaluated at fluorescent environments (tryptophan and CdTe quantum dots),

increasing the fluorescence. By trying these nanoparticles at riboflavin environment,

there was a singlet oxygen enhancement. It was explained because silver nanoparticles

can enhance triplet population.

KEY WORDS: Materials science; Nanomaterials; Pectin; Photodynamic therapy.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Taça de Lycurgo. Feita de vidro impregnado com nanopartículas de ouro e

prata. Em (A) mostra-se esverdeada ao refletir a luz e, em (B), vermelha ao transmiti-la

(British Museum). .......................................................................................................... 24

Figura 2 – Dimensões representativas de algumas espécies típicas, em suas várias

escalas. Um nanotubo de carbono é dez mil vezes mais fino do que um fio de cabelo,

porém, pode abrigar várias moléculas em seu interior.

Fonte: www.ofitexto.com.br/conteudo/deg_230778.htm. ............................................. 26

Figura 3 – Interações chave entre a Biologia e a Nanotecnologia. (Adaptado de Roco,

2003). ............................................................................................................................. ........................... 27

Figura 4 – Mecanismo de crescimento de nanopartículas de prata estabilizadas por

ânions citrato. Agx são clusters de prata (<1 nm), Agm partículas primárias estabilizadas

pelo citrato (~1 nm), Agn são partículas finais, R• são os radicais redutores. A

concentração de citrato foi 5x10-4

M, em (A), e 5x10-5

ou 1.5x10-3

M, em (B)

(Henglein e Giersig em 1999). ...................................................................................... 43

Figura 5 – Estrutura química da cadeia de pectina (Sriamornsak, 2003). ..................... 48

Figura 6 – Jeffamina monoamina, onde R=H para OE, ou CH3 para OP (Huntsman

Corporation, 2007). ........................................................................................................ 50

Figura 7 – Estruturas representativas das Jeffaminas diaminas. Em (A) Jeffamina série

D; em (B) série ED, onde y será sempre maior do que a soma entre x e z, garantindo que

o polietileno glicol predomine na estrutura central da cadeia; e (C) série EDR

(Huntsman Corporation, 2007). ..................................................................................... 51

Figura 8 – Estrutura representativa das Jeffaminas triaminas (Huntsman Corporation,

2007). ............................................................................................................................. 51

Figura 9 – Representação da celulose. Parte superior, cadeia de celulose pela união de

unidades β-glucose. Parte inferior, esquema do arranjo das fibrilas, microfibrilas e

celulose (Adaptado de Morais, Nascimento e Melo, 2005). ......................................... 54

Figura 10 – Micrografia por MEV da celulose bacteriana. Em (A), morfologia

superficial e, em (B), morfologia da secção transversal. (Adaptado de Maneerung,

Tokura e Rujiravanit, 2008). .......................................................................................... 54

Figura 11 – Representação da produção in situ das nanopartículas de Ag na estrutura

fibrilar da celulose bacteriana (Adaptado de Maria, Santos, Oliveira e col, 2010). ...... 56

Figura 12 – Esquema da síntese de nanopartículas de prata pela técnica de Lee e Meisel.

Exibição das alterações de coloração observadas depois da adição do redutor (Citrato de

sódio): do aspecto inicial, incolor, à coloração amarelo acinzentada e turva observada ao

final da síntese. .............................................................................................................. 58

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Figura 13 – Esquema da síntese das nanopartículas de prata revestidas com pectina,

apresentando a mudança de coloração (do incolor, passando ao amarelo pálido, até o

amarelo mais forte, porém transparente) observada durante o processo. ...................... 60

Figura 14 – Comparação da coloração entre a suspensão coloidal que utilizou a pectina

durante a síntese, em (A), e a síntese na qual o polímero foi suprimido, em (B). ......... 61

Figura 15 – Esquema ilustrativo da síntese de nanopartículas de prata revestidas com

Jeffamina. ...................................................................................................................... 62

Figura 16 – Variações no aspecto da membrana de CB durante a síntese in situ de

nanopartículas de prata. Em (A), Aspecto natural da membrana hidratada. Em (B),

membrana devido à impregnação com nanopartículas de prata sintetizadas in situ. Em

(C), CB observada na imagem (B) depois de seca. ....................................................... 64

Figura 17 – Variações no aspecto da membrana de CB impregnada por nanopartículas

de prata em suspensão. Em (A), aspecto natural da membrana hidratada. Em (B),

membrana escurecida devido à impregnação com nanopartículas em suspensão. Em (C),

membrana observada na imagem (B) depois de seca. ................................................... 64

Figura 18 – Esquema da ação do laser fragmentando as nanopartículas de prata. Em (A),

cor amarelo acinzentada, depois da síntese química, porém antes da ablação a laser. Em

(B), coloração amarela, mais clara e transparente, depois da ablação a laser. .............. 66

Figura 19 – Gráfico obtido pela técnica de espalhamento dinâmico de luz da amostra

obtida a partir da técnica de Lee e Meisel e submetida a 2 horas de ablação a laser.

Diâmetro médio indicado de aproximadamente 12 nm ................................................. 67

Figura 20 – Espectro de absorção no UV-Vis das nanopartículas de Prata obtidas pela

técnica de Lee e Meisel (curvas normalizadas). Curva em preto, referente às

nanopartículas antes do processo de ablação a laser e, em vermelho, às partículas que

foram submetidas ao processo de ablação, pelo período de 2 horas. ............................ 69

Figura 21 – Micrografia obtida por MET das nanopartículas de prata obtidas pelo

método proposto por Lee e Meisel. Em (A), amostra antes da ablação a laser, forma e

tamanho variados. Em (B), amostra submetida à ablação a laser, partículas esféricas e

com diâmetro médio de 12 nm. ..................................................................................... 71

Figura 22 – Gráfico com as três medidas da técnica de espalhamento dinâmico de luz

para a amostra de nanopartículas de prata revestidas por pectina. ................................ 72

Figura 23 – Gráfico com as três medidas da técnica de espalhamento dinâmico de luz

para a amostra de nanopartículas de prata sem revestimento de pectina. ...................... 73

Figura 24 – Espectro UV-Vis de nanopartículas de prata (curvas normalizadas). Curva

em preto correspondente às nanopartículas de prata sem recobrimento de pectina, em

vermelho às nanopartículas de prata revestidas com pectina. ...................................... 74

Figura 25 – Micrografia obtida a partir de MET dos aglomerados encontrados nas

amostras das nanopartículas de prata com (A) e sem (B) o revestimento de pectina. ... 75

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Figura 26 – Micrografia obtida a partir de MET das amostras de nanopartículas de prata

com (A) e sem (B) o revestimento de pectina. Em detalhe, um zoom mostrando a

diferença entre as superfícies das duas amostras. .......................................................... 76

Figura 27 – Espectro de absorção no UV-Vis de nanopartículas de prata revestidas com

Jeffamina. ...................................................................................................................... 77

Figura 28 – Micrografia obtida a partir de MET das amostras de nanopartículas de prata

revestidas com Jeffamina. .............................................................................................. 78

Figura 29 – Gráficos contendo as curvas obtidas a partir da espectroscopia de absorção

no UV-Vis para os compósitos formados por membrana de celulose – nanopartículas de

prata. Curva em preto, referente à celulose pura e seca, em vermelho, ao compósito

formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às

nanopartículas de prata (diferença entre o compósito e a CB pura). Gráfico (A), amostra

onde houve síntese in situ das nanopartículas de prata, e, (B), para a membrana imersa

na suspensão de nanopartículas. .................................................................................... 79

Figura 30 – Micrografia obtida por MEV da amostra de celulose bacteriana na qual

ocorreu a síntese das nanopartículas. Imagem, com aumento de 25000 X. No detalhe

acima, um aumento de 40000 X da região assinalada. Abaixo, aspecto da amostra

utilizada. ........................................................................................................................ 81

Figura 31 – Micrografia obtida por MEV da amostra de celulose bacteriana que foi

imersa em suspensão de nanopartículas de prata. Imagem, com aumento de 20000 X.

No detalhe acima, um aumento de 50000 X da região assinalada. Abaixo, aspecto da

amostra utilizada. ........................................................................................................... 81

Figura 32 – Esquema de preparo das amostras de celulose bacteriana impregnadas com

prata para avaliação por MET. ...................................................................................... 82

Figura 33 – Micrografias obtidas por MET das amostras de CB impregnada com prata.

(A) CB na qual ocorreu a síntese in situ e, em (B), membrana imersa na suspensão

contendo nanopartículas de prata. ................................................................................. 83

Figura 34 – Nanopartículas de prata em suspensão. Variações de cor relacionadas ao

tamanho das partículas (Fonte: www.danaco.net/silver.html). ..................................... 86

Figura 35 – Esquema da oscilação dos plasmons para uma esfera. Resposta a uma

excitação eletromagnética que tem como conseqüência a geração de uma nuvem dos

elétrons de condução da partícula (Kelly e col, 2003). ................................................. 87

Figura 36 – Seleção da ressonância de plasmons em nanopartículas metálicas, levando

em consideração o tamanho, a forma e a estrutura de composição (Adaptado de Gomes,

2009). ............................................................................................................................. 88

Figura 37 – Esquema ilustrativo da diferença do dipolo induzido mediante a incidência

da radiação eletromagnética em nanopartículas de formato esférico (parte superior) e de

bastões (parte inferior). Em (A), micrografias obtidas por MET, havendo dois tamanhos

diferentes para as partículas esféricas. Em (B), formação do dipolo induzido. Em (C),

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gráficos dos espectros de absorção gerados por partículas esféricas de tamanhos

variados, parte superior, e por nanobastões, parte inferior. (Adaptado de: El-Sayed,

2001; Liz-Marzán, 2004). .............................................................................................. 89

Figura 38 – Em (A), aspecto macroscópico dos nanobastões de ouro e prata obtidos a

partir de reações fotoquímicas, em suspensões. Em (B), espectros de absorção no UV-

Vis das suspensões mostradas em (A). (C), micrografias obtidas por MET, em maior e

menor aumento, das mesmas amostras (Song e Yang, 2002). ...................................... 90

Figura 39 – Diagrama de Jabłoński clássico, em (A). Em B, o diagrama modificado para

ilustrar a presença de ilhas, partículas ou colóides metálicos. E – excitação, Em – taxa de

excitação intensificada pela presença do metal, e Гm – taxa radiativa na presença de

metal (Adaptado de Geddes e Lakowicz, 2002). ........................................................... 93

Figura 40 – Aumento da intensidade de emissão do fluoróforo à medida que este se

aproxima da superfície metálica. A concentração de agente desativador se mantém em

todo o sistema. F – fluoróforo, Q – agente desativador (Adaptado de Geddes e

Lakowicz, 2002). ........................................................................................................... 96

Figura 41 – Espectros do triptofano. Em (A), espectro de absorção no UV-Vis do

triptofano, em vermelho, e das nanopartículas de prata revestidas pela pectina, em preto.

Em (B), Estudo da emissão da associação entre nanopartículas de prata revestidas por

pectina e triptofano. Em preto, ausência de emissão da suspensão coloidal de

nanopartículas de prata revestidas com pectina. Em vermelho, emissão do triptofano em

água. Em azul, emissão do triptofano em meio contendo as nanopartículas de prata com

pectina. ........................................................................................................................... 99

Figura 42 – Espectro de emissão da solução de triptofano com diferentes fatores de

preenchimento de nanopartículas de prata (ƒ) excitados pelo processo de absorção de

(A) 1, (B) 2, e (C) 3 fótons (Adaptado de Rátiva, Gomes, Wachsmann-Hogiu e col,

2008). ............................................................................................................................100

Figura 43 – Espectro de absorção e de emissão dos pontos quânticos de CdTe/CdS. No

detalhe, suspensão dos pontos quânticos excitada por luz ultra-violeta (λ – 365 nm). 103

Figura 44 – Curvas do espectro de emissão dos sistemas: Pontos quânticos de

CdTe/CdS em água (em preto); pontos quânticos de CdTe/CDs com nanopartículas de

prata revestidas com pectina (em vermelho); pontos quânticos de CdTe/CdS com

nanopartículas de prata sem pectina (em azul) e pontos quânticos de CdTe/CdS com

nanopartículas de prata obtidas pela técnica de Lee e Meisel, seguida da ablação a laser

(em verde). λ de excitação (acima dos gráficos) – 280, 375 e 445 nm.

...................................................................................................................................... 105

Figura 45 – Curvas do espectro de emissão dos sistemas: Pontos quânticos de

CdTe/CdS em água (em preto); pontos quânticos de CdTe/CdS com pectina, sem prata

(em vermelho) e pontos quânticos de CdTe/CdS em meio contendo nanopartículas de

prata revestidas com pectina (em azul). λ excitação de 375 nm. ................................. 106

Figura 46 – Mecanismos da terapia fotodinâmica (Adaptado de DeRosa e Crutchley,

2002). ........................................................................................................................... 110

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Figura 47 – Estrutura da riboflavina, destacando a cadeia ribitil e o sistema de anéis

isoaloxazina, responsável pela característica de fluorescência da molécula. No detalhe,

seu aspecto de pó de coloração amarelo forte (Souza, Ferreira, Jucá e col, 2005). ..... 114

Figura 48 – Interpretação da intensificação da fosforescência na presença de metais (A)

e da geração do oxigênio singlet0 (B). P – fosforescência, RB – fotossensibilizador, 3O2

– Oxigênio no estado fundamental tripleto e 1O2 – Oxigênio singlete (Adaptado de

Zhang, Aslan, Previte e col, 2008). ............................................................................. 121

Figura 49 – Esquema do Diagrama de Jablonski para a amplificação da produção de

Oxigênio singleto decorrente da associação entre um fotossensibilizador e os plasmons

superficiais. MEF – Fluorescência amplificada pela presença das nanopartículas

metálicas. MEP – Fosforescência amplificada pela presença das nanopartículas

metálicas. 3O2, Oxigênio no estado tripleto e

1O2, Oxigênio singleto; isc – cruzamento

intersistemas (Adaptado de Zhang, Aslan, Previte e col , 2007). ............................... 122

Figura 50 – Em (A), aspecto do GR. Em (B), propriedades espectrais do GR, antes e

depois da interação com 1O2. Absorção, em a e c, e emissão, em b e d. Sendo que a e b,

correspondem às medidas feitas antes da produção do oxigênio singleto. c e d, depois.

As medidas da emissão foram obtidas com comprimento de onda de excitação em 480

nm (Flors, Fryer, Waring e col, 2006). ........................................................................ 123

Figura 51 – Espectro de absorção no UV-Vis, em preto, das nanopartículas de prata

revestidas com pectina; em vermelho, espectro de absorção no UV-visível da

Riboflavina em água e, em azul, da riboflavina em meio contendo nanopartículas de

prata revestidas com pectina. Foi utilizada uma cubeta de quartzo de 1 mm. ............. 125

Figura 52 – Espectros de emissão. Curva em preto, nanopartículas de prata revestidas

por pectina (ausência de emissão), em vermelho, riboflavina em água e, em azul,

riboflavina em meio contendo nanopartículas de prata revestidas com pectina. λ de

excitação: 267 nm (esquerda), 375 nm (direita) e 444 nm (abaixo). (Estas curvas foram

obtidas com o equipamento Varian (Palo Alto, CA, USA) Cary Eclipse Fluorescence

Spectrophotometer). .................................................................................................... 126

Figura 53 – Espectros de emissão. Curva em preto, riboflavina em água; em vermelho,

riboflavina em meio contendo nanopartículas de prata sem revestimento de pectina; e,

em azul, riboflavina em meio contendo nanopartículas de prata revestidas com pectina.

λ de excitação: 415 nm (esquerda) e 502 nm (direita). (Estas curvas foram obtidas com

o espectrofluorímetro contador de fótons modelo ISS PC1). ...................................... 127

Figura 54 – Espectros de emissão do sensor para oxigênio singlete. Em (A), antes da

irradiação com o sistema de LEDs indutor de produção de oxigênio singleto. Em (B),

depois de 2 minutos de irradiação das amostras. Comprimento de onda de excitação foi

de 502 nm. ................................................................................................................... 129

Figura 55 – Espectros de emissão utilizados para quantificar a produção de oxigênio

singleto. Em (A): curva em preto, emissão do GR em água, sem nanopartículas de prata

e sem riboflavina; em vermelho, emissão do GR em nanopartículas de prata com pectina

e sem riboflavina. Em (B): curva em preto, emissão do GR e riboflavina em água,

depois da irradiação com LEDs; em vermelho, emissão do GR e riboflavina em

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nanopartículas de prata, depois da irradiação com LEDs. Em (C): curva em preto,

emissão da riboflavina em água; em vermelho, emissão da riboflavina em

nanopartículas de prata com pectina; λ excitação = 502 nm. ...................................... 131

Figura 56 – Fator de amplificação da produção de oxigênio singleto para vários

fotossensibilizadores. 1, acridina; 2, RB; 3, cloroquina; 4, indometacina; 5, riboflavina;

6, naproxen; 7, cloropromazina; 8, quinidina. (Adaptado de Zhang, Aslan, Previte e col,

2008). ........................................................................................................................... 132

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LISTA DE SIGLAS E ABREVIAÇÕES

CB – Celulose bacteriana

CETENE – Centro de Tecnologias Estratégicas do Nordeste

DNA – Ácido desoxirribonucléico (deoxynbonucleic acid)

FAD – Dinucleotídeo de flavina e adenina

FMN – Moninucleotídeo de flavina

GR – Sensor verde para oxigênio singleto

MEF – Amplificação da fluorescência por superfícies metálicas (metal enhancement

fluorescence)

MET – Microscopia eletrônica de transmissão

MEV – Microscopia eletrônica de varredura

MIC – Mínima concentração inibitória (Minimum Inhibitory Concentration)

PM – Peso molecular

PMMA – Polimetilmetacrilato

ROS – Espécies de Oxigênio reativas (reactive oxygen species)

TFD – Terapia fotodinâmica

UFPE – Universidade Federal de Pernambuco

UNESP – Universidade Estadual Paulista

UV-vis – Ultravioleta-visível

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LISTA DE SÍMBOLOS

AgNO3 – Nitrato de prata

C – Celsius

Hz – hertz

l – litro

ml – militro

mg – miligrama

µg – micrograma

M – molar

mM – milimolar

µM – micromolar

nM – nanomolar

m – metro

nm – nanômetro

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 19

OBJETIVOS ................................................................................................................ 22

CAPÍTULO 1

NANOPARTÍCULAS DE PRATA EM NANOBIOTECNOLOGIA ..................... 22

1.1 NANOPARTÍCULAS DE PRATA ......................................................................... 23

1.2 NANOBIOTECNOLOGIA ..................................................................................... 25

1.3 APLICAÇÕES DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS EM

NANOBIOTECNOLOGIA ........................................................................................... 27

1.3.1 Biossensores ......................................................................................................... 28

1.3.2 Agentes de contraste em técnicas de imagem ...................................................... 29

1.3.3 Terapia contra o câncer ......................................................................................... 31

1.3.4 Atividade antibacteriana ....................................................................................... 32

1.3.5 Atividade antifúngica e antiviral .......................................................................... 35

1.4 PERSPECTIVAS E PRECAUÇÕES RELACIONADAS À

NANOBIOTECNOLOGIA ........................................................................................... 36

CAPÍTULO 2 ............................................................................................................... 39

SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA

2.1 SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA ................................................. 40

2.1.1 Síntese de nanopartículas de prata através de redução pelo citrato ...................... 41

2.2 REVESTIMENTO DE NANOPARTÍCULAS ....................................................... 43

2.2.1 Revestimento polimérico ..................................................................................... 46

2.3 COMPÓSITOS À BASE DE CELULOSE BACTERIANA .................................. 53

2.3.1 Celulose ................................................................................................................ 53

2.3.2 Compósitos à base de celulose bacteriana (CB).................................................... 55

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2.4 METODOLOGIA DE SÍNTESE PARA NANOPARTÍCULAS DE PRATA ....... 57

2.4.1 Síntese de nanopartículas de prata através da Técnica de Lee e Meisel seguida de

ablação a laser ................................................................................................................ 57

2.4.2 Síntese de nanopartículas de prata revestidas por Pectina .................................... 59

2.4.3 Síntese de nanopartículas de prata revestidas por Jeffamina ................................ 61

2.4.4 Síntese de nanocompósitos a base de celulose bacteriana e nanopartículas de prata

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

2.5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................. 65

CAPÍTULO 3 ............................................................................................................... 84

APLICAÇÃO DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA EM ESPECTROSCOPIA

ÓPTICA

3.1 PROPRIEDADES ÓPTICAS NAS NANOPARTÍCULAS METÁLICAS ............ 85

3.1.1 Absorção e espalhamento de luz .......................................................................... 85

3.2 INTERAÇÃO ENTRE SUPERFÍCIES METÁLICAS E FLUORÓFOROS ......... 91

3.3 METODOLOGIA PARA ANÁLISE ÓPTICA DE SISTEMAS COLOIDAIS DE

PRATA .......................................................................................................................... 96

3.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................. 98

CAPÍTULO 4 ............................................................................................................. 107

NANOPARTÍCULAS DE PRATA E TERAPIA FOTODINÂMICA

4.1 TERAPIA FOTODINÂMICA ...............................................................................108

4.1.1 Mecanismos da terapia fotodinâmica ................................................................. 109

4.1.2 Oxigênio singleto ................................................................................................ 111

4.1.3 Fotossensibilizadores .......................................................................................... 112

4.2 TERAPIA FOTODINÂMICA NO TRATAMENTO DE INDECÇÕES

LOCALIZADAS ......................................................................................................... 115

4.2.1 Terapia Fotodinâmica para tratamento de infecções localizadas em Odontologia.

...................................................................................................................................... 117

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4.3 NANOPARTÍCULAS METÁLICAS EM TERAPIA FOTODINÂMICA .......... 120

4.4 METODOLOGIA .................................................................................................. 122

4.5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................... 124

CONCLUSÕES .......................................................................................................... 133

PERSPECTIVAS ....................................................................................................... 135

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 136

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INTRODUÇÃO

Os materiais sempre acompanharam a história da humanidade, desde a idade da

pedra, passando pela descoberta dos metais, até o uso dos plásticos. Atualmente,

materiais utilizados desde a antiguidade, como ouro e prata, estão participando de mais

uma transformação científica e tecnológica, pois se descobriu que quando reduzidos a

escalas nanométricas, eles apresentam propriedades diferentes das observadas nos

materiais convencionais. Estas diferenças são atribuídas à alta relação superfície/volume

existente nos materiais com tamanho nanométrico, que faz com que o número de

átomos presentes na sua superfície seja comparável ao número de átomos localizados no

seu interior. Desta forma, as propriedades físicas e químicas conhecidas no material em

sua forma volumétrica, passam a ser influenciadas pela estrutura de defeitos da

superfície. Estas propriedades dos nanomateriais, mesmo sem o devido conhecimento,

intrigam a humanidade desde a antiguidade quando egípcios produziam um vidro de

coloração vermelha intensa, atribuída à presença de nanopartículas de ouro. Também

foram encontradas nanopartículas metálicas em vitrais coloridos utilizados para adornar

capelas medievais.

A descoberta de novas propriedades tem como conseqüência a inovação das

aplicações que incluem desde o desenvolvimento de dispositivos ópticos, eletrônicos e

de sensores, beneficiando também a área da Biomedicina. No caso de nanopartículas de

metais nobres, dentre elas as de prata, as aplicações, em geral, baseiam-se na

ressonância dos plasmons, ou seja, na oscilação coletiva dos elétrons de condução em

resposta à excitação promovida por um campo eletromagnético externo. Inicialmente as

nanopartículas de prata foram empregadas para aumentar o sinal oriundo de moléculas

orgânicas avaliadas pela técnica de Espectroscopia Raman (Lee e Meisel, 1982). Porém,

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também são aplicadas no combate a infecções microbianas causadas por bactérias,

fungos ou vírus (Clement e Jarrett, 1994). Atualmente, as nanopartículas de prata

também vêm sendo aplicadas como amplificadoras de fluorescência (Geddes e

Lakowicz, 2002; Lakowicz, Chowdhury, Ray e col, 2006), auxiliando técnicas de

diagnóstico (Hirsch, Stafford, Bankson e col, 2003; Aslan, Zhang, Lakowicz e col,

2004; Loo, Lin, Hirsch, e col, 2004; Chen, Liu, Ameer e col, 2005) e também no

tratamento para doenças como o câncer, por intermédio das técnicas de terapia

fototérmica e da terapia fotodinâmica (Hirsch, Stafford, Bankson e col, 2003; Loo, Lin,

Hirsch, e col 2004; Skrabalak, Chen, Sun e col, 2008).

Para melhor compreensão, esta tese foi dividida da seguinte forma: No Capítulo

1, nanopartículas metálicas em nanobiotecnologia; no Capítulo 2, síntese de

nanopartículas de prata; Capítulo 3, Aplicação de nanopartículas de prata em

espectroscopia óptica e, Capítulo 4, Nanopartículas de prata e terapia fotodinâmica.

Esta tese foi realizada em parceria com o Grupo de Materiais Fotônicos, sob a

supervisão dos Professores Sidney J. L. Ribeiro e Younes Messaddeq (Instituto de

Química – UNESP/Araraquara) e com o Laboratório de Biofísica Química, sob a

supervisão das Professoras Adriana Fontes, Beate Santos e Patrícia M. A. Farias (Depto.

de Biofísica e Radiobiologia, UFPE). Esta tese contou com o apoio financeiro da

FACEPE e CNPQ.

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OBJETIVOS

O objetivo geral deste trabalho é sintetizar nanopartículas de prata a partir de

diferentes técnicas de síntese para aplicação em terapia fotodinâmica e espectroscopia

óptica.

Objetivos específicos:

Os objetivos específicos foram:

1) Sintetizar nanopartículas de prata empregando diferentes técnicas.

2) Caracterizar as nanopartículas sintetizadas.

3) Avaliar a ação de nanopartículas de prata em meios fluorescentes.

4) Avaliar a ação de nanopartículas de prata na produção do Oxigênio singleto.

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CAPÍTULO 1

NANOPATÍCULAS DE PRATA EM NANOBIOTECNOLOGIA

O primeiro capítulo apresenta um breve histórico sobre as nanopartículas de

prata e relata suas participações na nanobiotecnologia, dentre elas foram citadas a

atuação das nanopartículas de prata em biossensores, no combate de doenças causadas

por vírus, fungos e bactérias, como agentes de contraste em técnicas de imagem e no

tratamento do câncer. Com tantas aplicações possíveis na área da Biomedicina, o

capítulo finaliza admitindo a relevância das descobertas para a Nanobiotecnologia, mas

ressalta a importância da realização de estudos relacionados a possíveis efeitos nocivos

ao corpo humano e ao meio ambiente.

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1.1 NANOPARTÍCULAS DE PRATA

O prefixo “nano” tem sua origem na língua grega e significa anão. Um

nanômetro (1 nm) corresponde à bilionésima parte do metro (1.0x10-9

m). Ou seja,

átomos são menores do que 1 nm e algumas moléculas, como as proteínas, têm suas

dimensões de aproximadamente 1 nm. O termo Nanotecnologia foi utilizado pela

primeira vez em 1959, pelo físico Richard Feynman, ao perceber a possibilidade de

manipular um material que estivesse na mesma escala de átomos e moléculas. Em

seguida, o termo caiu em desuso, até que, em 1974, Norio Taniguchi, pesquisador da

Universidade de Tókio, empregou-o para definir a capacidade de produzir materiais em

escala nanométrica (Sahoo, Parveen e Panda, 2007).

A nanotecnologia é a ciência que trabalha numa escala que vai de 1 a 100 nm e

tem como objetivo compreender, criar e aplicar materiais, estruturas e dispositivos

fundamentados em novas propriedades, funções e, conseqüentemente, aplicações a

partir de estruturas pequenas (Bauer, Birenbaum e Meyer, 2004).

Nesta tese, serão trabalhadas as nanopartículas de prata, cujas propriedades

ópticas, mesmo sem o devido conhecimento, são utilizadas desde o Império Romano.

Este fato foi observado ao se analisar a taça de Lycurgo (Figura 1) que data do século

IV, d. C., atualmente exposta no Museu Britânico. A presença de nanopartículas de ouro

e prata com o diâmetro médio de aproximadamente 40 nm excitadas pela luz atribui à

taça mudanças de coloração. A taça absorve e espalha luz verde e azul, por isto, quando

vista em luz refletida, apresenta-se esverdeada (Figura 1(A)). Porém, se uma fonte de

luz for colocada dentro da taça, ela adquire uma coloração avermelhada (Figura 1(B))

(Barber e Freestone, 1990). Vitrais presentes em catedrais e castelos medievais como

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um dos vitrais mais antigos do mundo, encontrado no Castelo de Sułkowskich, na

Polônia também se utilizam das propriedades ópticas das nanopartículas metálicas.

Figura 1 – Taça de Lycurgo. Feita de vidro impregnado com nanopartículas de ouro e prata. Em (A)

mostra-se esverdeada ao refletir a luz e, em (B), vermelha ao transmiti-la (British Museum).

Os primeiros interesses científicos em nanopartículas metálicas se limitaram a

aplicações para aumentar o sinal oriundo de moléculas orgânicas mediante a técnica de

Espectroscopia Raman (Lee e Meisel, 1982). Também foram estudados eficientes

dispositivos antimicrobianos baseados em nanopartículas de prata (Clement e Jarrett,

1994). No final da década de 80 descobriu-se que nanopartículas metálicas exibiam

propriedades importantes não observadas em materiais em sua forma volumétrica. As

propriedades físicas e químicas passaram a ser influenciadas pela relação

superfície/volume e a descoberta da ressonância dos plasmons superficiais permitiu o

desenvolvimento de novos dispositivos ópticos, eletrônicos e de sensores, trazendo

novas aplicações para estes materiais. Atualmente, é reconhecido que as propriedades e,

conseqüentemente, as aplicações das nanopartículas de prata são moduladas pela forma

(A) (B)

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e tamanho, sendo fundamental o controle destes parâmetros no momento da síntese do

material (Henglein, 1998).

Dentre as nanopartículas metálicas, as de prata foram selecionadas para este

trabalho, por apresentarem boa capacidade de amplificar sinais de fluorescência, além

de seu precursor ser inerte e de baixo custo (Taton, Mirkin e Letsinger, 2000; Cao, Jin e

Mirkin, 2002; Zhang, Malicka, Gryczynski e col, 2005). Por outro lado, como a

reatividade da prata é maior do que a do ouro, a obtenção de uma amostra com

distribuição de tamanho homogênea e estável torna-se mais difícil (Krutyakov,

Kudrinsky, Olenin e col, 2008).

1.2 NANOBIOTECNOLOGIA

Todos os sistemas biológicos, inclusive o corpo humano, são organizados

primariamente em escala nanométrica, e é exatamente neste nível onde funções e

propriedades importantes são regidas para o perfeito controle e funcionamento dos seres

vivos e também do meio ambiente. O grande interesse na associação entre a

nanotecnologia e a biomedicina está focado na possibilidade de se facilitar e fortalecer a

interação entre os nanomateriais e os sistemas biológicos alvo. Ishijima e Yanagida,

(2001) e Brau, Tarsa, Ferrer e col (2006) acreditam que, agindo-se em nível celular,

torna-se mais fácil controlar e recuperar os sistemas vivos. Para facilitar a compreensão

desta possível interação entre os sistemas biológicos e materiais nanoestruturados, a

figura 2 traz uma escala de comparação entre as dimensões de nanotubos de carbono e

estruturas presentes no organismo humano (fios de cabelo e hemácias), vírus e até

átomos e moléculas.

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Figura 2 – Dimensões representativas de algumas espécies típicas, em suas várias escalas. Um nanotubo

de carbono é dez mil vezes mais fino do que um fio de cabelo, porém, pode abrigar várias moléculas em

seu interior. Fonte: www.ofitexto.com.br/conteudo/deg_230778.htm.

Pode-se definir a Nanobiotecnologia como a área da ciência que aplica

princípios e técnicas em escala nanométrica para compreender e transformar sistemas

biológicos (vivos ou não vivos) e que usa princípios da Biologia aliados aos da Ciência

de Materiais, com o objetivo de criar novos dispositivos e sistemas integrados, em

escala nanométrica. Ou seja, é uma combinação entre dois ramos distintos da ciência,

onde a nanotecnologia contribui com as ferramentas e as plataformas tecnológicas para

a investigação e transformação dos sistemas biológicos, enquanto que a biologia oferece

os modelos de inspiração e componentes biológicos para a nanotecnologia, como

apresentado na figura 3 (Roco, 2003).

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Figura 3 – Interações chave entre a Biologia e a Nanotecnologia. (Adaptado de Roco, 2003).

1.3 APLICAÇÕES DAS NANOPARTÍCULAS DE PRATA EM

NANOBIOTECNOLOGIA

Nanopartículas de metais nobres, como o ouro e a prata contribuem para avanços

importantes na Biomedicina, pois além de se encontrarem na mesma escala das

estruturas primárias (células, genes) que formam os tecidos biológicos, suas

propriedades permitem aplicações variadas. Em sua maioria, estas aplicações estão

fundamentadas nas propriedades ópticas, oriundas da ressonância dos plasmons (Link,

Wang e El-Sayed, 1999) e consistem em biossensores (Haes e Duyne, 2002; Aslan,

Lakowicz, Malicka e col, 2005), diagnóstico preventivo (McFarland e Duyne, 2003),

melhoras na aquisição de imagens (Sahoo, Parveen e Panda, 2007) e como agentes

terapêuticos (Huang, Jain, El-Sayed e col, 2008). Os novos métodos de diagnóstico e

tratamento estão cada vez mais próximos de serem aplicados clinicamente (Thrall,

Bio Nano

Plataformas científicas e tecnológicas

Biomateriais e processos

Ferramentas

Modelos

Bio Nano

Plataformas científicas e tecnológicas

Biomateriais e processos

Ferramentas

Modelos

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2004) e contam com um artifício importante que é a possibilidade de alteração

superficial das partículas, a funcionalização. Para se modificar a superfície das

nanopartículas metálicas geralmente são empregados polímeros sintéticos e ligantes

apropriados capazes de reconhecer e se ligar a sítios específicos nas células que fazem

parte do tecido alvo (Moghimi, Hunter e Murray, 2005; Ebbesen e Jensen, 2006; Sahoo,

Parveen e Panda, 2007).

1.3.1 Biossensores

Um biossensor capta a interação entre um ligante e um receptor. O campo

gerado pela ressonância de plasmons decorrente do uso de nanopartículas de prata nesta

técnica tem a capacidade de torná-la mais sensível, aumentando sua eficácia (Haes e

Duyne, 2002). A aplicação de nanopartículas de prata como sensores biológicos baseia-

se no fato de seu comportamento óptico depender das propriedades dielétricas do meio

no qual elas se encontram, ou seja, variações das moléculas presentes neste meio

modificam características como a absorbância o sistema coloidal (Stuart, Haes, Yonzon

e col, 2005).

Pacientes que sofrem de doenças crônicas, como a diabete, poderão, em breve,

contar com a tecnologia dos biossensores associados a nanopartículas de ouro e prata

para a monitoração dos níveis de glicose nos fluidos orgânicos como sangue, urina e

saliva, pela agregação das nanopartículas devido a interações biológicas específicas e

pela dissociação de agregados devido à competição com a glicose (Aslan, Zhang,

Lakowicz e col, 2004). O DNA foi estudado e identificado depois de associado a

nanopartículas de ouro (Liu e Lu, 2003) e prata (Cai, Xu, Zhu e col, 2002; Sönnichsen,

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Reinhard, Liphardt e col, 2005) e estes resultados são promissores para o diagnóstico e a

compreensão de doenças genéticas e mutações.

McFarland e Duyne (2003) relatam a utilização das nanopartículas de prata

como sensores em técnicas de imunoensaio. Acreditam que a técnica é ideal para

quantificação de espécies químicas e também para monitorar processos dinâmicos no

interior das células, possibilitando a aplicação do sistema in vivo, sem causar

desconfortos ao paciente, por não ser invasiva. A técnica de imunoensaio se baseia na

reação antígeno anticorpo e permite a detecção de antígenos em soluções e, segundo

Gupta, Huda, Kilpatrick e col (2007) a associação de nanopartículas de prata melhora a

sensibilidade da técnica.

1.3.2 Agentes de contraste em técnicas de imagem

A Biomedicina se preocupa com o desenvolvimento de técnicas de imagem não

invasivas visando diagnóstico seguro sem causar desconforto aos pacientes. Para isto

torna-se necessário o aprimoramento das técnicas de imagem, fato relacionado à

resolução espacial aliada à eficiência dos agentes de contraste. As nanopartículas

metálicas representam uma nova geração de marcadores biológicos (Sahoo, Parveen e

Panda, 2007).

Nanopartículas metálicas (Skrabalak, Chen, Sun e col, 2008) devido à

capacidade de espalhamento da luz, foram empregadas como agentes de contraste em

técnicas de imagem (Hu, Fine, Tasciotti e col, 2011). Este comportamento também é

verificado em nanoestruturas compostas com núcleo metálico e camada externa de

sílica, ou vice-versa (Hirsch, Stafford, Bankson e col, 2003; Loo, Lin, Hirsch, e col,

2004; Chen, Liu, Ameer e col, 2005). A principal vantagem encontrada na utilização

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destes sistemas nanométricos baseados em nanopartículas metálicas é o amplo espectro

que vai de 80 a 200 nm, não alcançado com os agentes de contraste convencionais,

como compostos à base de lantanídeos (Chen, Liu, Ameer e col, 2005). O

aperfeiçoamento no diagnóstico a partir de melhorias das imagens obtidas por exames

representa a descoberta da doença em seu estágio inicial e conseqüente aumento na

possibilidade de cura. Por esta razão pesquisas sobre a utilização de nanopartículas

metálicas para a obtenção de imagens são direcionadas principalmente para o

diagnóstico precoce do câncer (Hirsch, Stafford, Bankson e col, 2003; Sokolov, Follen,

Aaron e col, 2003; Skrabalak, Chen, Sun e col, 2008). Sokolov, Follen, Aaron e col

(2003) aperfeiçoaram ainda mais a técnica ao trabalharem com nanopartículas

bioconjugadas. Ou seja, as nanopartículas metálicas foram ligadas a um marcador

celular capaz de identificar e se ligar, marcando transformações celulares malignas e

pré-malígnas. Loo, Lin, Hirsch, e col (2004) utilizaram nanoshells bioconjugadas como

agentes de contraste (espalhamento) na técnica de Tomografia por Coerência Óptica.

Para auxiliar técnicas de obtenção de imagens em 3 dimensões de células cancerosas,

Durr, Larson, Smith e col (2007) utilizaram bastões de ouro, em escala nanométrica

como agentes de contraste de brilho.

Materiais com núcleo metálico, em prata, e recobrimento de sílica também

foram propostos para aplicações em biomedicina, neste caso, o fenômeno abordado foi a

potencialização do efeito de emissão pela proximidade entre superfícies de metais

nobres e moléculas fluorescentes (Aslan, Lakowicz, Szmacinski e col, 2004). Este

processo será detalhado no Capítulo 3.

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1.3.3 Terapia contra o câncer

Nanopartículas metálicas bioconjugadas vêm sendo propostas não só para o

diagnóstico do câncer, mas também para seu tratamento. Graças a possíveis variações

da relação entre a espessura da camada externa metálica e o diâmetro do núcleo de

sílica, nanoshells podem ser confeccionadas de maneira a permitir espalhamento e/ou

absorção da luz ao longo de larga extensão do espectro de luz, incluindo o

Infravermelho próximo, região onde a penetração da luz em tecidos biológicos é

máxima. Ao se optar pelo espalhamento ou pela absorção da luz, pode se utilizar o

mesmo material para imagem e tratamento, respectivamente (Hirsch, Stafford, Bankson

e col, 2003; Loo, Lin, Hirsch e col 2004; Berry, 2005; Loo, Lowery, Hallas e col, 2005;

Skrabalak, Chen, Sun e col, 2008). O tratamento proposto é a terapia fototérmica e trata-

se de uma alternativa aos tratamentos cirúrgicos convencionais para os tumores e está

associado à capacidade que estes materiais apresentam de absorverem a luz na região do

espectro correspondente ao infra-vermelho próximo, o que induz ao aquecimento,

danificando e eliminando as células tumorais pela ação do calor (Huang, Jain, El-Sayed

e col, 2008). Ao se trabalhar com partículas bioconjugadas, os danos térmicos são

limitados ao tecido alvo, havendo comprometimento mínimo dos tecidos vizinhos

sadios (Hirsch, Stafford, Bankson e col, 2003; Skrabalak, Chen, Sun e col, 2008). A

terapia fototérmica também foi proposta para o tratamento do câncer de boca, quando

El-Sayed, Huang, e El-Sayed (2006) empregaram nanopartículas de ouro

bioconjugadas.

A terapia fotodinâmica também pode ser auxiliada pelas nanopartículas

metálicas, porém, este tema será abordado no capítulo 4 desta tese.

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1.3.4 Atividade antibacteriana

A atividade antimicrobiana da prata é reconhecida há muito tempo. Existem

relatos históricos que descrevem que Herótodo, rei da Pérsia, ao se preparar para a

guerra preocupou-se em levar água reservada em garrafões de prata para evitar a

contaminação. Porém o primeiro registro moderno foi feito por Raulin, em 1869, ao

observar que a Aspergillus niger (fungo que causa manchas ou bolor preto em frutas e

vegetais) não crescia em recipientes de prata. Antes do advento dos antibióticos, a prata

foi bastante utilizada pela medicina, de forma sistêmica, devido a suas propriedades

antimicrobianas (Quinn e Milder, 2002). Clement e Jarrett (1994) afirmam que a

toxicidade da prata em células humanas é menor do que a observada nas de

microrganismos nocivos como bactérias, fungos e vírus.

Não só a prata metálica, mas também seus compostos são utilizados como

agentes antimicrobianos. Dentre eles, o mais freqüentemente empregado é a

Sulfadiazina de prata, porém sais como o Acetato e o Nitrato de prata também se

mostram eficazes contra infecções (McDonnell e Russell, 1999). São encontrados em

dispositivos médicos como cateteres venosos, curativos para queimaduras e cateteres

para drenagem urinária já presentes no mercado. Estudos clínicos mostram que esses

materiais apresentam taxas de infecções mais baixas do que os dispositivos sem agente

antimicrobiano (Quinn e Milder, 2002).

A utilização de nanopartículas de prata tornou-se uma alternativa aos

antimicrobianos químicos convencionais que, apesar de serem eficientes no tratamento

terapêutico propriamente dito, vêm causando resistência em várias cepas virulentas.

Acredita-se que ao se diminuir o tamanho da partícula metálica sua atividade

antimicrobiana é potencializada, pois, já que ambas estão em escala nanométrica, o

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contato entre elas é facilitado (Quinn e Milder, 2002; Catauro, Raucci, De Gaetano e

col, 2004; Kim, Kuk, Kyeong e col, 2007).

Embora já tenha sido muito estudado (Liau, Read, Pugh e col, 1997; McDonnell

e Russell, 1999; Dibrov, Dzioba, Gosink e col, 2002; Richards, Krumholz, Chval e col,

2002; Kim, Kuk, Kyeong e col, 2007; Guzmán, Dille e Godet, 2009), o mecanismo da

ação antimicrobiana das nanopartículas de prata ainda não está totalmente esclarecido.

Acredita-se que ocorrem interações entre os íons Ag+ ou a prata metálica e a parede

celular bacteriana, porém existem várias hipóteses (Guzmán, Dille e Godet, 2009).

Algumas pesquisas mostram que a carga positiva dos íons de prata e das nanopartículas

de prata positivamente carregadas são capazes de promover uma interação eletrostática

com a membrana celular dos microorganismos, carregada negativamente (Liau, Read,

Pugh e col, 1997; McDonnell e Russell, 1999; Dibrov, Dzioba, Gosink e col, 2002).

Essa teoria passou a ser questionada quando nanopartículas de prata, cuja superfície foi

negativamente carregada, também apresentaram comportamento antimicrobiano (Kim,

Kuk, Kyeong e col, 2007).

Testes realizados em bactérias Gram-negativas mostraram dependência entre a

morte celular e a concentração de nanopartículas de prata (Sondi e Salopek-Sondi

2004). Neste caso, a morte celular seria conseqüência da formação de poços na parede

da célula bacteriana, tornando-a permeável e desregulando o transporte entre membrana

e citoplasma, levando à morte da célula (Sondi e Salopek-Sondi 2004). Kin, Kuk,

Kyeong e col, 2007 suspeitam que o mecanismo de ação bactericida das nanopartículas

de prata esteja associado à formação de radicais livres formados pelas nanopartículas de

prata capazes de induzir danos à membrana. Recentemente, descobriu-se que íons de

prata, oriundos das nanopartículas, podem entrar na célula e levar à produção de

espécies de oxigênio reativas (ROS), ou seja, radical superóxido (O2-), radical hidroxila

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34

(_OH), peróxido de hidrogênio (H2O2), e Oxigênio singleto (

1O2). Espécies de oxigênio

reativas podem ser formadas diretamente ou indiretamente no interior das células e o

estresse oxidativo seria conseqüência de um desequilíbrio entre a geração das espécies

de oxigênio reativas e as funções de defesa celular, levando a danos nas proteínas, no

DNA e nos lipídios da célula bacteriana (Pape, Solano-Serena, Contini e col, 2004;

Park, Kin, Kin e col, 2009; Wijnhoven, Peijnenburg, Herberts e col, 2009).

Baseando-se na tendência dos íons de prata interagirem com grupos tióis

presentes em enzimas bacterianas importantes (Hatchett e White, 1995) e na

possibilidade da presença de nanopartículas no interior da célula, é possível que os

danos às bactérias sejam causados através pela interação da prata com organelas

celulares como o DNA. Esse tipo de interação impediria o mecanismo de multiplicação

celular (Quinn e Milder, 2002; Wijnhoven, Peijnenburg, Herberts e col, 2009).

Depois de comprovada a eficácia das nanopartículas de prata como agentes

antibacterianos, várias aplicações já foram propostas (Clement e Jarrett, 1994).

Compósitos para uso odontológico (Catauro, Raucci, De Gaetano e col, 2004),

dispositivos médicos, como cateteres, (Furno, Morley, Wong e col, 2004), curativos

para queimadura (Dias, Batdorf, Fianchini e col, 2006) e recobrimento de superfícies

com função antimicrobiana, tecidos e fibras com efeito antimicrobiano prolongado

(Yeo, Lee e Jeong, 2003; Jeong, Hwang e Yi, 2005; Jeong, Yeo e Yi, 2005). A

biocompatibilidade da prata presente em compósitos também tem fundamentado seu

emprego em implantes ósseos, no tratamento de água e em materiais restauradores

odontológicos (Catauro, Raucci, De Gaetano e col, 2004).

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35

1.3.5 Atividade antifúngica e antiviral

Também são bem sedimentados e antigos os estudos dos efeitos da prata contra

fungos. Berger, Spadaro, Bierman e col, (1976) e Kim, Kuk, Kyeong e col, (2007)

testaram o efeito fungicida da prata em várias espécies de Candida e Torulopsis. Os

estudos que relatam a atividade de nanopartículas de prata em vírus como HIV (Sun,

Chen, Chung e col, 2005) e o causador da Hepatite B (Lu, Sun, Chen e col, 2008)

também são relevantes.

Lu, Sun, Chen e col (2008) mostraram que, associando-se nanopartículas de

prata ao DNA do vírus causador da hepatite B, o HBV, poderia se alterar o ciclo viral.

Apesar dos estudos terem sido realizados in vitro, os autores viram nestes resultados

uma possibilidade de cura para a hepatite B, uma doença crônica que tem como

conseqüências o desenvolvimento da cirrose e carcinoma hepáticos.

A AIDS, outra doença viral e que até hoje não apresenta cura, também é alvo de

investigações da nanobiotecnologia. Para combater a doença, Sun, Chen, Chung e col

(2005) investigaram o tipo de associação entre nanopartículas de prata e o vírus HIV,

concluindo que as nanopartículas de prata, ao se ligarem ao vírus inibiam sua ligação às

células hospedeiras. A facilidade de ligação entre as nanopartículas de prata e o HIV

seria conseqüência do surgimento de sítios de enxofre que facilitariam um arranjo

espacial regular das nanopartículas de prata na cápsula viral (Elechiguerra, Burt,

Morones e col, 2005). Há ainda pesquisas com resultados que mostram que as

nanopartículas de prata atuam no estágio inicial da replicação viral, sem causar

resistência do vírus HIV às nanopartículas, situação comum em drogas freqüentemente

utilizadas durante o tratamento da doença (Lara, Ayala-Nuñez, Ixtepan-Turrent e col,

2010).

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36

1.4 PERSPECTIVAS E PRECAUÇÕES RELACIONADAS À

NANOBIOTECNOLOGIA

Fazer previsões num campo amplo e complexo como é o da Medicina não é uma

tarefa fácil. Porém há uma tendência de que os estudos na área médica continuem sendo

incentivados neste novo século. O número de investigadores deve continuar

aumentando em todo o mundo, os governantes estão conscientes das vantagens em se

investir em pesquisa, as universidades no primeiro mundo continuarão a encarar a

pesquisa como primordial, e países como o Brasil já estão reconhecendo esta realidade

(Andrade, 2008). Por esta razão, pode-se prever o avanço rápido e crescente na

produção de novos materiais capazes de revolucionar a Medicina em um futuro

próximo.

O emprego de materiais nanoestruturados vem interessando os pesquisadores

que visam suas aplicações biológicas. Porém, a repercussão das interações entre

nanomateriais e seres vivos ainda é desconhecida e tem muito que progredir até que

estes sistemas sejam aplicados, de forma segura, em seres vivos (Ebbesen e Jensen,

2006).

Muitos trabalhos já vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de se avaliar a

relação entre a ação terapêutica esperada por nanopartículas de prata e a toxicidade que

elas apresentam ao corpo humano (Kim, Kuk, Kyeong e col 2007). Para Berger,

Spadaro, Bierman e col (1976) as concentrações necessárias para que os íons de prata

sejam eficientes contra os microorganismos patogênicos são baixas e, por isto,

acreditam que não tragam efeitos nocivos às células humanas. Os valores da mínima

concentração inibitória (MIC) de nanopartículas de prata ficaram entre 3.3 nM e 6.6 nM

para E. coli, bactéria que causa enterite hemorrágica (Berger, Spadaro, Bierman e col,

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1976; b). Já Kim, Kuk, Kyeong e col (2007) ao avaliarem a ação das nanopartículas de

prata diante do S. aureus, verificaram um MIC maior do que 33 nM, resultado atribuído

à maior resistência desta cepa às nanopartículas. Em testes contra leveduras, os

pesquisadores relataram que a MIC das nanopartículas de prata ficou entre 6.6 nM e13.2

nM.

Braydich-Stolle, Hussain, Schlager e col (2005) realizaram estudos, in vitro, de

toxicidade para vários materiais nanoestruturados, inclusive nanopartículas de prata, em

células germinativas (células tronco). Este tipo de células foi escolhido porque mutações

sofridas por elas representam um risco a toda a linhagem que se segue. Na membrana

celular as nanopartículas de prata não promoveram grandes alterações. Porém

provocaram alterações na morfologia celular. Já a atividade mitocondrial foi

comprometida.

O efeito tóxico das nanopartículas de prata foi estudado mais recentemente por

AshaRani, Mun, Hande e col (2009) que confirmaram as alterações na morfologia

celular e na atividade mitocondrial, além de detectarem a presença de nanopartículas

também no núcleo e relatarem a possibilidade de danos ao DNA celular.

Segundo Duran, Marcato, De Conti e col (2010) o tamanho dos nanomateriais

facilita a mobilidade no organismo e também no ambiente. Este fato associado à alta

reatividade vem chamando atenção para possíveis riscos à saúde humana, ao impacto

ambiental e, principalmente, para a necessidade de mais estudos que garantam uma

aplicação segura dos materiais nanoestruturados de uma forma geral.

O emprego da Nanotecnologia na Biomedicina é uma questão ética

freqüentemente descrita na literatura atual (Kim, Yoon, Yu e col, 2006; Costa, 2010).

São tratados eventuais efeitos adversos da aplicação no corpo humano de materiais ou

superfícies nanoestruturadas e também seu impacto na saúde pública e no ambiente, a

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médio e longo prazo. Existe uma preocupação com o desenvolvimento de

nanopartículas e materiais biodegradáveis e biocompatíveis. No entanto, para fins

terapêuticos destacam-se possíveis riscos de toxicidade e também o grau de

imprevisibilidade e incerteza do conhecimento atual sobre seus efeitos colaterais. Os

referidos efeitos, resultantes da interação destes nanomateriais com os sistemas

biológicos, podem trazer conseqüências ao nosso patrimônio genético (Costa, 2010).

São necessários estudos que tragam informações seguras sobre a distribuição destes

materiais pelo organismo e também de sua toxicidade (Kim, Yoon, Yu e col, 2006).

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CAPÍTULO 2

SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA

O capítulo 2 refere-se às técnicas de síntese utilizadas para se obter as

nanopartículas de prata e o nanocompósito de celulose bacteriana impregnada com

nanopartículas.

São apresentadas sínteses de nanopartículas de prata pelo método proposto por

Lee e Meisel, seguido de ablação a laser, e também, de partículas com revestimento

polimérico. As partículas foram revestidas com a Pectina e a Jeffamina. Este

procedimento teve como objetivo a obtenção de nanopartículas com grupamentos

funcionais livres, facilitando a ligação de moléculas ou outras estruturas às suas

superfícies. Além disso, a pectina contribuiu melhorando a biocompatibilidade das

nanopartículas por se tratar de um material natural, pois está presente nos vegetais, e

também é empregado na indústria de alimentos. Os nanocompósitos à base de celulose

foram obtidos de duas formas: uma onde a síntese das nanopartículas se deu na própria

membrana (in situ) e a outra onde as partículas já prontas foram incorporadas a ela. Nas

duas situações, foram empregadas as concentrações de precursores da técnica de Lee e

Meisel.

Depois da preparação, é apresentada a caracterização dos materiais. Nesta etapa,

são utilizadas as técnicas de Espalhamento dinâmico de luz, Espectroscopia de absorção

no UV-Vis, Microscopia eletrônica de transmissão e Microscopia eletrônica de

varredura, sendo esta última técnica empregada apenas para os compósitos de celulose e

prata.

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2.1 SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA

Numa síntese coloidal, em geral, participam: o meio, o precursor, o agente

redutor e o estabilizante. O meio compreende a fase líquida onde a reação química

ocorre. O precursor é o composto químico responsável pelo fornecimento do material

que irá formar as partículas. Tratando-se de nanopartículas metálicas, geralmente,

utiliza-se um sal deste metal. Para que o íon seja reduzido e finalmente transformado na

espécie metálica, entra na reação o agente redutor. Os agentes redutores utilizados na

reação podem ser compostos químicos que fornecem elétrons por meio de uma reação

química, porém esta redução também pode ocorrer através do efeito de algum agente

externo, que pode ser luz, temperatura ou mesmo raios gama. O estabilizante é uma

molécula responsável pelo recobrimento das superfícies das nanopartículas e seu

objetivo é evitar que ocorra a agregação, controlando o crescimento e mantendo-as

dispersas no meio (Burda, Chen, Narayanan e col, 2005).

De maneira geral, a formação de nanopartículas pode ser explicada pelo

mecanismo de nucleação e crescimento demonstrado experimentalmente por La Mer e

Gruen em 1952. De acordo com o mecanismo citado, quando a concentração de

monômeros (átomos, íons ou complexos moleculares que irão formar a nanopartícula)

em solução ultrapassa a concentração crítica de nucleação, há a formação de pequenos

aglomerados de átomos denominados de núcleos ou sementes. Uma vez ocorrida a

nucleação, a concentração dos monômeros disponíveis diminui, podendo ficar abaixo da

concentração crítica de nucleação. A partir deste ponto ocorre somente o crescimento

dos núcleos pré-formados, esta fase é denominada etapa de crescimento. Em alguns

casos, após o crescimento, quando a concentração de monômeros torna-se menor que o

valor crítico de crescimento, pode ocorrer o processo de Ostwald rippening que

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promove a dissolução das partículas menores e crescimento das maiores, ou mesmo o

crescimento por incorporação de outros núcleos (aglomeração e coalescência) (Burda,

Chen, Narayanan e col, 2005). Entretanto, como resultado de sua grande área

superficial, nanopartículas coloidais são termodinamicamente instáveis, havendo uma

tendência de aglomeração (Atkins, 1994). Para que as partículas se mantenham estáveis,

é importante envolvê-las com uma camada estabilizadora.

2.1.1 Síntese de nanopartículas de prata através de redução pelo citrato

A primeira vez que o Citrato foi proposto como redutor na síntese de

nanopartículas metálicas deu-se na década de 50, quando Turkevivh estudou a síntese

de nanopartículas de ouro a partir do ácido cloroáurico. Através da avaliação pela

técnica de microscopia eletrônica de transmissão, verificou-se que foram obtidas

partículas de formato esférico e com diâmetro médio bem controlado, de 20 ± 1.5 nm

(Turkevich, Stevenson e Hillier, 1951). Posteriormente, o mesmo método foi

empregado para a aquisição de partículas de prata. A análise da amostra pela

microscopia eletrônica de transmissão constatou a formação de agregados e o diâmetro

médio das partículas variou bastante, encontrando-se partículas com tamanho entre 60 e

200 nm. A característica marcante deste método é que os íons citrato atuam não só

como redutores, mas também como estabilizantes das nanopartículas obtidas. Este fato

dificulta a escolha da concentração ideal de citrato, pois variações neste parâmetro

alteram simultaneamente a taxa de redução dos íons metálicos, e também os processos

de nucleação e de crescimento das partículas (Lee e Meisel, 1982).

O mecanismo da reação pode ser expresso pela reação a seguir (Šileikaitė,

Prosyčevas, Puišo e cols, 2006):

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4Ag+ + C6H5O7Na3 + 2H2O → 4Ag0 + C6H5O7H3 + 3Na+ + H+ + O2↑ (1)

A ação dos ânions citrato na estabilização das nanopartículas de prata foi

explicada por Henglein e Giersig em 1999 através do mecanismo esquematizado na

figura 4. Depois da redução dos íons Ag+ pelo redutor (R

•), os átomos de prata se unem

formando clusters através de reações de condensação. Agx, corresponde aos núcleos que

irão, através de reações de condensação, formar partículas maiores. A partir daí, foram

propostos dois tipos de nucleação, um para a concentração ideal de citrato (Figura 4

(A)) e o outro, para os sistemas com excesso ou carência deste íon (Figura 4 (B)).

No sistema em equilíbrio, (Agm), os clusters complexados pelo citrato, param de

aumentar de tamanho ao atingirem o tamanho crítico e passam a se comportar como

partículas coloidais propriamente ditas, ou seja, são cercados por uma camada repelente

de citrato que previne a agregação das partículas formadas. Nesta situação a

concentração de citrato é suficiente para recobrir, estabilizando as partículas obtidas.

Isso justifica uma distribuição mais homogênea de tamanhos, além da presença de

estruturas esferóides bem separadas, cristalinas e com poucas imperfeições (Figura 4

(A)) (Henglein e Giersig, 1999).

Nos casos onde a concentração de citrato é muito baixa, ele se torna insuficiente

para estabilizar as superfícies de todas as partículas sintetizadas. Como conseqüência, os

fenômenos de nucleação e crescimento das partículas não são tão distintos quanto foi

observado anteriormente. Os clusters Agm crescem pela redução dos íons de prata em

suas superfícies e o citrato não inibe o crescimento da partícula, facilitando a união dos

átomos. Por isto, as partículas constam de vários cristalitos, com inúmeras imperfeições

(Figura 4 (B)) (Henglein e Giersig, 1999). Quando o citrato está em excesso, as forças

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iônicas atingem magnitudes grandes o suficiente para desestabilizar a camada de citrato,

resultando numa coagulação (Krutyakov, Kudrinskiy, Olenin e cols, 2008).

A participação do citrato no processo de redução do Nitrato de prata também foi

detalhada. Baseando-se em resultados espectrais, observou-se que o grau de redução dos

íons de prata depende da concentração de Citrato e do tempo que o sistema permaneceu

em ebulição (Pillai e Kamat, 2004).

Figura 4 – Mecanismo de crescimento de nanopartículas de prata estabilizadas por ânions citrato. Agx são

clusters de prata (<1 nm), Agm partículas primárias estabilizadas pelo citrato (~1 nm), Agn são partículas

finais, R• são os radicais redutores. A concentração de citrato foi 5x10

-4 M, em (A), e 5x10

-5 ou 1.5x10

-3

M, em (B) (Adaptado de Henglein e Giersig em 1999).

2.2 REVESTIMENTO DE NANOPARTÍCULAS

O interesse em nanopartículas coloidais já foi descrito no capítulo anterior,

porém o avanço nos estudos e o crescimento de exigências nas áreas de aplicações

tornaram necessário o desenvolvimento de um novo grupo, mais complexo, de

materiais: as nanopartículas revestidas. Neste grupo estão incluídos materiais que

Agn

condensação

citrato

Cristalitos estabilizados

redução na superfície

condensação

citrato

agregação

Cristalitos

insuficientemente

estabilizados

Partículas de prata

agregadas (~20 nm)

(A)

(B)

Ag+ + R

Agx

Agx

Agm

Agm

Ag+ + R

Ag+ + R

Agn

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apresentam o núcleo formado por um material e recobrimento de outro. Geralmente a

escolha dos materiais está relacionada à aplicação e vêm sendo empregados com

sucesso na biomedicina (Lu, Yi, Zhao e col, 2004). São conhecidos como

nanocompósitos ou materiais nanohíbridos quando alternam em seu núcleo e

recobrimento uma combinação entre materiais orgânicos e inorgânicos (Hirakawa e

Kamat, 2005; Sanchez, Julián, Belleville e col, 2005).

Para se revestir um nanomaterial, tem que se trabalhar sua superfície, isto faz

com que ela seja uma importante ferramenta para a Ciência de Materiais. À superfície

são associadas propriedades como solubilidade, reatividade, estabilidade, temperatura

de fusão, ponto de ebulição e estrutura desses materiais (Alivisatos, 1996).

Modificações químicas da superfície de nanopartículas são importantes por também

serem responsáveis pela conexão entre a nanopartícula e outros materiais e objetos,

desempenhando um papel fundamental no desenvolvimento de novos dispositivos e na

conjugação com moléculas para aplicações em sistemas de liberação controlada de

fármacos (Moghimi, Hunter e Murray, 2005).

Quando o revestimento da nanopartícula desempenha o papel de estabilizante, o

material que o compõe deve ser adicionado durante a fase de crescimento, com o

objetivo de prevenir a agregação e a precipitação. Vários materiais, entre orgânicos e

inorgânicos, podem ser utilizados como capeadores na superfície das nanopartículas

(Murray, Kagan, Bawendi, 2000).

Técnicas de sínteses mais complexas permitem que sejam adicionadas

ramificações à superfície das nanopartículas para que grupos funcionais sejam

colocados à disposição na superfície modificada e que, verdadeiras camadas de

revestimento sejam depositadas em suas superfícies, alterando carga, funcionalidade e

reatividade, além da melhora relacionada à estabilidade e à dispersão da suspensão

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coloidal (Mulvaney, Liz-Marzán, Giersig e col, 2000; Schmidt e Malwitz, 2003). Além

das vantagens já apresentadas, as propriedades, ópticas, magnéticas e catalíticas do

material podem variar em função de sua camada externa, o que resulta em

comportamento distinto daquele observado quando se está diante apenas de um dos

materiais formadores da partícula (Mulvaney, Liz-Marzán, Giersig e col, 2000; Ung,

Liz-Marzán e Mulvaney, 2001; Graf, Vossen, Imhof e col, 2003; Schmidt e Malwitz,

2003; Lu, Yi, Zhao e col, 2004).

No caso de nanopartículas metálicas, os materiais selecionados para o

recobrimento empregados podem ser polímeros, surfactantes ou moléculas contendo

grupos terminais -SH, -CN, -P(C6H5)2, -NH2 (Henglein, 1989 e Fendler, 1996). Kong e

Jang (2006) sintetizaram nanopartículas de prata embebidas em nanofibras de poli

(álcool vinílico) – poli(metil metacrilato) (PVA-PMMA) e afirmaram que as hidroxilas

oxigenadas presentes no PVA tinham a propriedade de se coordenar com o íon metálico

oriundo do Nitrato de prata. O PVA auxiliou na formação das fibras, mas também atuou

como estabilizante, protegendo os clusters de prata. Dorjnamjin, Ariunaa e Shim (2008)

sintetizaram partículas de prata, esféricas cujo tamanho variou entre 2 e 8 nm com o

objetivo de se explorar suas propriedades antimicrobianas. Observaram que líquidos

iônicos e surfactantes catiônicos, ambos funcionalizados com grupamentos hidroxila,

atuaram tanto como agentes redutores quanto como protetores na síntese das partículas

obtidas.

As aplicações biológicas são exemplos da importância do recobrimento das

nanopartículas metálicas. Em tratamentos terapêuticos pra a remoção de tecidos

malignos, como a terapia fototérmica (Hirsch, Stafford, Bankson e col, 2003; Loo, Lin,

Hirsch, e col 2004; Skrabalak, Chen, Sun e col, 2008), ou em técnicas de diagnóstico

(Hirsch, Stafford, Bankson e col, 2003; McFarland e Duyne, 2003; Loo, Lin, Hirsch, e

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col 2004; Gupta, Huda, Kilpatrick e col, 2007; Skrabalak, Chen, Sun e col, 2008), o

revestimento das partículas possibilita o reconhecimento de sítios específicos das

células alvo. Além do direcionamento, o revestimento das nanopartículas tem a função

de protegê-las da atividade enzimática e da degradação hidrolítica à qual estão

submetidas durante sua administração (Landfester, Musyanovych e Mailander, 2010).

Enzimas e ácidos encontrados durante o percurso pelo trato digestivo representam

obstáculos em casos de administração oral. Em sistemas que visam à administração

intravenosa, as partículas que têm superfície hidrofóbica, seriam rapidamente

capturadas por proteínas plasmáticas e eliminadas da corrente sanguínea. Nestes casos,

o recobrimento polimérico tem a capacidade de driblar estas barreiras, garantindo a

realização do papel a elas atribuído (Berry e Curtis, 2003; Otsuka, Nagasak e Kataoka,

2003; Berry, 2005; Burda, Chen, Narayanan e col, 2005).

2.2.1 Revestimento polimérico

As aplicações das partículas revestidas por polímeros vão desde a área de

catálise à de aditivos e pigmentos, incluindo a produção de cosméticos, tintas, entre

outras (Caruso, 2001).

Estudos recentes relatam uma grande variedade de polímeros associados a

nanopartículas, sendo eles utilizados para aumentar a possibilidade de reações com as

partículas, e também prevenir a agregação delas. São eles a goma arábica (Velikov,

Zegers e Blaaderen, 2003), a carragenina (Daniel-da-Silva, Tindade, Goodfellow e col,

2007), polivinilpirrolidona (Henglein, 1998), quitosana (Wang, Zhuang, Deng e col,

2010) e heparina (Kemp, Kumar , Clement e col, 2009).

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Duas das técnicas de sínteses de nanopartículas de prata utilizadas nesta tese

tiveram como objetivo a obtenção de nanopartículas revestidas por polímeros. Os

polímeros escolhidos foram a Pectina e a Jeffamina que serão melhores descritos a

seguir.

a) Pectina

O termo substâncias pécticas é empregado para se referir a carboidratos

poliméricos de plantas que contêm uma grande proporção de unidades de ácido

galacturônico e cuja massa molecular encontra-se na faixa entre 30.000 e 300.000. Estas

substâncias estão presentes nos tecidos de todas as plantas superiores, sendo depositadas

na parede celular durante as primeiras etapas de crescimento do vegetal, contribuindo

para a adesão entre as células e também para a resistência mecânica da parede celular. A

forma natural é insolúvel em água e denominada de protopectina. Sua função está

relacionada à manutenção da forma e à firmeza de frutos e vegetais, além de estarem

envolvidas em interações com agentes patogênicos. As substâncias pécticas diferem

entre si pela solubilidade em água e pelo grau de metoxilação, ou seja, número de

grupos –CH3 esterificados na molécula. (Jarvis, 1984; Fishman e Jem, 1986; Fatibello-

Filho e Vieira, 2002).

De maneira geral, pode-se dizer que estruturalmente as pectinas são polímeros

do ácido D-galacturônico. A principal característica da molécula das pectinas é a cadeia

linear formada por unidades repetidas do ácido D-galacturônico (Figura 5) (Fishman e

Jem, 1986).

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Figura 5 – Estrutura química da cadeia de pectina (Sriamornsak, 2003).

A estrutura química da pectina é assunto de investigações há décadas devido à

importância da compreensão de seu papel, não só nos vegetais, mas também no

processamento de alimentos e como fibra nutricional. Da mesma forma que a maioria

dos outros sacarídeos de origem vegetal, a pectina mostra-se heterogênea tanto no que

diz respeito à estrutura química quanto ao peso molecular, variando o número e a

percentagem de tipos de unidades monoméricas. Por isto, a composição varia de acordo

com sua fonte de origem, com as condições de isolamento e com os tratamentos

subseqüentes. Este fato faz com que, numa mesma amostra, parâmetros como o peso

molecular ou o conteúdo de subunidades específicas sejam diferentes de uma molécula

para outra. Por isso as substâncias pécticas não apresentam massa molecular definida,

podendo esta variar de 25 a 360 kDa (Fishman e Jem, 1986; Kashyap, Vohra, Chopra e

col, 2001; Sriamornsak, 2003). Esta heterogeneidade pode ser observada entre plantas,

entre tecidos e até mesmo dentro da própria parede celular (Lofgren, Guillotin e

Hermansson, 2006; Willatsa, Knoxb e Mikkelsen, 2006).

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49

A propriedade mais importante das pectinas é sua capacidade de geleificação

que varia em diferentes fontes, pois está relacionada ao grau de metoxilação, e é

relacionada à sua aplicação na indústria de alimentos, na produção de geléias, doces,

sucos de frutas, produtos de confeitaria, estabilização de bebidas lácteas e iogurtes. O

gel de pectina é formado por uma rede cristalina tridimensional na qual a água e os

solutos ficam presos. Vários fatores determinam esta propriedade gelificante, tais como:

temperatura, o tipo de pectina, o grau de esterificação e de acetilação, pH, açúcares e

outros solutos, além da presença do cálcio. (Jarvis, 1984; Fishman e Jem, 1986;

Brandão e Andrade, 1999; Sriamornsak, 2003; Lofgren, Guillotin e Hermansson, 2006;

Willatsa, Knoxb e Mikkelsen, 2006).

b) Jeffamina

As Jeffaminas fazem parte de uma família de compostos orgânicos que contêm

aminas primárias terminais ligadas a uma estrutura central de poliéter, por esta razão,

são chamadas de polieteraminas. Jeffamina é o nome registrado por Huntsman

Petrochemical Corporation. O esqueleto do poliéter, geralmente tem como base o Óxido

propileno (OP), Óxido etileno (OE) ou uma mistura entre os dois. Por causa da amina

primária, as polieteraminas sofrem reações típicas das aminas (Wang e Pinnavaia, 2003;

Agut, Brûlet, Taton e col, 2007; Strandberg, Yeh, Zeelen e col, 2009).

A quantidade de grupamentos amina permite que as Jeffaminas sejam

subdivididas monoaminas, diaminas, e triaminas.

As Jeffaminas monoaminas (Figura 6) também podem ser chamadas de

Jeffaminas da série M e são obtidas a partir da reação de um monoálcool iniciador com

OE e/ou OP, resultando na conversão dos grupamentos hidroxila terminais em

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50

grupamentos amina. Desta forma, as Jeffaminas da série M podem ser polieteraminas

que têm, predominantemente o polipropileno glicol em sua estrutura base, ou o

polietileno glicol. Sendo as últimas mais hidrofílicas (Huntsman Corporation, 2007).

Figura 6 – Jeffamina monoamina, onde R=H para OE, ou CH3 para OP (Huntsman Corporation, 2007).

Dentre as Jeffaminas diaminas, são encontradas as séries D, ED e EDR. A série

D inclui cadeias de polipropileno glicol com aminas terminais como representa a

estrutura da figura 7 (A). As polieteraminas da série ED têm sua estrutura baseada

predominantemente numa estrutura central de polietileno glicol (Figura 7 (B)), o que

lhes confere a solubilidade em água. Ainda no grupo das diaminas estão as Jeffaminas

da série EDR (Figura 7 (C)). A principal característica destas polieteraminas é sua alta

reatividade, sendo a maior dentre todas as Jeffaminas. O que garante ampla aplicação

além de solubilidade em uma grande variedade de solventes (Huntsman Corporation,

2007).

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51

Figura 7 – Estruturas representativas das Jeffaminas diaminas. Em (A) Jeffamina série D; em (B) série

ED, onde y será sempre maior do que a soma entre x e z, garantindo que o polietileno glicol predomine na

estrutura central da cadeia; e (C) série EDR (Huntsman Corporation, 2007).

As polietereaminas que contêm três aminas são chamadas de Jeffaminas

triaminas ou da série T. São obtidas a partir da reação do Óxido propileno com um triol

iniciador, seguida da aminação dos grupos tióis terminais (Figura 8) (Huntsman

Corporation, 2007).

Figura 8 – Estrutura representativa das Jeffaminas triaminas (Huntsman Corporation, 2007).

(A)

(B)

(C)

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Jeffaminas da série D e T de pesos moleculares diferentes foram utilizadas por

Wang e Pinnavaia, em 2003. O objetivo do trabalho foi criar camadas do polímero que

se encontraram intercaladas com camadas de sílica laminada. Quando foram utilizadas

Jeffaminas de menor peso molecular, as camadas formadas mostraram um paralelismo

em relação às folhas de sílica, além de menor espessura, quando comparadas às

camadas formadas no experimento que empregou as Jeffaminas de alto peso molecular,

cujas cadeias se emaranharam garantindo um aspecto enovelado.

A Jeffamina vem sendo utilizada na produção de novos materiais. Baseando-se

na propriedade de auto-organização dos copolímeros em bloco, propriedade que facilita

a formação de estruturas micelares nanométricas empregadas em sistemas de liberação

controlada de fármacos, Agut, Brûlet, Taton e col (2007), obtiveram micelas de um

copolímero em bloco duplamente hidrofílico. O copolímero obtido apresentou unidades

de óxido etileno e óxido propileno (a Jeffamina). A partir de uma técnica complexa,

Kim, Byun, Shin e col (2009) utilizaram a Jeffamina na síntese de nanopartículas de

prata em suporte resinoso sólido, sem a utilização de um agente redutor químico

(Citrato de sódio ou Borohidreto de sódio) para redução do sal de Prata. A prata foi

reduzida pelo sistema tetrahidrofurano/clorofórmio à temperatura ambiente, dando

origem a partículas com tamanho variando entre 2 e 4 nm. A Jeffamina e outros

polímeros foram empregados no experimento como espaçadores hidrofílicos nas resinas

modificadas. Estas resinas passaram a apresentar grupos hidroxila ou amina em seus

terminais. Ao final da pesquisa, observou-se que os grupamentos terminais amina e

carboxil não participaram do processo de redução da Prata e que a formação das

nanopartículas sofreu influência do tamanho da cadeia de PEG.

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53

2.3 COMPÓSITOS À BASE DE CELULOSE BACTERIANA

2.3.1 Celulose

A celulose é o polímero mais abundante presente na natureza. Existem duas

formas: a celulose pura (inclui aquela produzida pelo algodão, por algumas algas e a

celulose bacteriana) e a celulose complexa, que compõe a parede celular das plantas

superiores e representa a maior parte da celulose disponível na natureza. É um

polissacarídeo constituído por unidades de -glicose. Suas moléculas se agregam

formando microfibrilas. Nestas microfibrilas há a regiões organizadas (cristalinas) que

se alternam com regiões amorfas (não cristalinas). A reunião destas microfibrilas forma

as fibrilas e estas se agrupam formando as fibras celulósicas (Figura 9) (Silva,

Haraguchi, Muniz e col, 2009).

Produzida pela Acetobacter Xylinum, a celulose bacteriana é estruturalmente

semelhante à celulose vegetal, diferindo por ser livre da lignina e da hemicelulose. A

celulose bacteriana é depositada em camadas que se unem formando a membrana. Sua

estrutura básica é formada por fibrilas nanométricas de 50 a 100 nm emaranhadas e

tridimensionalmente dispostas (Figura 10) (Barud, Assunção, Martines e col, 2008;

Maneerung, Tokura e Rujiravanit, 2008). Esta organização estrutural própria garante à

celulose bacteriana uma grande quantidade de poros e excelente capacidade de retenção

de água (Czaja, Krystynowicza, Bielecki e col, 2006), alta cristalinidade e boa

resistência à tração, elasticidade e elevada capacidade de absorção de água, além de ser

biodegradável e biocompatível (Jonas e Farah, 1998; Klemm, Schumann, Udhardt e col,

2001).

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Figura 9 – Representação da celulose. Parte superior, cadeia de celulose pela união de unidades β-glicose.

Parte inferior, esquema do arranjo das fibrilas, microfibrilas e celulose (Adaptado de Morais, Nascimento

e Melo, 2005).

Uma das principais vantagens da celulose bacteriana é sua compatibilidade

biológica, o que lhe garante aplicações como bandagens em transplantes de pele,

tratamentos de úlceras, queimaduras e feridas extensas e inflamações supuradas

(Hutchens, Woodward, Evans e col, 2002).

Figura 10 – Micrografia por MEV da celulose bacteriana. Em (A), morfologia superficial e, em (B),

morfologia da secção transversal (Adaptado de Maneerung, Tokura e Rujiravanit, 2008).

(A) (B)

Estrutura da celulose

Fibrila

Microfibrilas

Fibras de celulose

Cadeias de moléculas

de celulose

n = unidade repetida (glicose)

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2.3.2 Compósitos à base de celulose bacteriana (CB)

Compósitos são estruturas compostas por materiais quimicamente diferentes,

com o objetivo de associar vantagens dos dois materiais em um só. Nanocompósitos

baseados em polímeros com nanopartículas metálicas recebem atenção especial por

apresentarem as propriedades químicas e físicas melhoradas a partir da união de um

material inorgânico a um polimérico (Barud, Barrios, Regiani e col, 2008; Volkov,

Klechkovskaya, Shtykova e col, 2009).

Vários trabalhos foram realizados associando a ação antimicrobiana das

nanopartículas de prata (Liau, Read, Pugh e col, 1997; McDonnell e Russell, 1999;

Dibrov, Dzioba, Gosink e col, 2002; Sondi e Salopek-Sondi 2004; Kin, Kuk, Kyeong e

col, 2007; Guzmán, Dille e Godet, 2009) à biocompatibilidade da celulose bacteriana

(Maneerung, Tokura e Rujiravanit, 2008; Moreira, Silva, Almeida-Lima e col, 2009;

Volkov, Klechkovskaya, Shtykova e col, 2009).

Volkov, Klechkovskaya, Shtykova e col (2009) sintetizaram um filme em gel de

celulose bacteriana com nanopartículas de prata. As nanopartículas de prata foram

obtidas separadamente, a partir de soluções aquosas e da redução química do nitrato de

prata em polivinilpirrolidona. Também existem exemplos de sínteses in situ, ou seja, o

processo de formação das nanopartículas de prata se dá na própria membrana de

celulose. Maneerung, Tokura e Rujiravanit (2008) utilizaram o nitrato de prata e o

borohidreto de sódio.

He, Kunitake e Nakao, 2003 e Maria, Santos, Oliveira e col (2010) explicam o

mecanismo in situ de formação de nanopartículas de prata entre as fibrilas de celulose

bacteriana (Figura 11). Eles relatam que o contato entre a celulose bacteriana (CB) e o

precursor metálico promove uma interação eletrostática entre os íons Ag+ e os átomos

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de oxigênio dos grupamentos hidroxila presentes nas fibrilas da CB. Quando a

membrana com as fibrilas impregnadas com os íons Ag+ é mergulhada na solução que

contem o agente redutor, os íons são reduzidos a Ag0, formando as nanopartículas.

Figura 11 – Representação da produção in situ das nanopartículas de Ag na estrutura fibrilar da celulose

bacteriana. (Adaptado de Maria, Santos, Oliveira e col, 2010).

Ag+

Redutor

Grupo contendo oxigênio na CB

Nanopartícula de Ag

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2.4 METODOLOGIA DE SÍNTESE PARA NANOPARTÍCULAS DE PRATA

2.4.1 Síntese de nanopartículas de prata através da Técnica de Lee e Meisel

seguida de ablação a laser

De acordo com a técnica proposta por Lee e Meisel (1982), esquematizada na

figura 12, 250 ml de uma solução de Nitrato de prata (AgNO3) 10-3

M (Sima-Aldrich)

foi aquecida até entrar em ebulição. Neste momento, foram adicionados 5 ml de uma

solução de Citrato de sódio (Sima-Aldrich) 1%. A partir deste instante, o sistema passou

a ser submetido à agitação vigorosa e teve sua temperatura fixa. Depois da adição do

citrato de sódio, a coloração da solução foi se modificando (Figura 12), passando de

incolor, a amarelo pálido e, por fim, amarelo acinzentado, indicando a redução dos íons

de Prata. O aquecimento e a agitação foram mantidos por 60 minutos, depois dos quais,

o sistema foi resfriado à temperatura ambiente.

Após a síntese química de acordo com a técnica descrita, a amostra contendo

nanopartículas de prata foi submetida à ablação a laser. Esta etapa foi adicionada à

síntese com o objetivo de melhorar a distribuição de forma e de tamanho das partículas

de prata obtidas (Kamat, Flumiani e Hartland, 1998; Kamat, 2002; Miranda, Falcão

Filho, Rodrigues e col, 2004; Brito-Silva, Gomez, Araújo e col, 2010).

Para a realização desta etapa, 5 ml da suspensão coloidal foram introduzidos em

uma cubeta e submetidos a 2 horas de ablação, sob agitação constante. Um feixe de

laser de Nd:YAG (532nm, 6 ns, 5 Hz) foi focado numa face da cubeta de vidro.

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Figura 12 – Esquema da síntese de nanopartículas de prata pela técnica de Lee e Meisel. Exibição das

alterações de coloração observadas depois da adição do redutor (Citrato de sódio): do aspecto inicial,

incolor, à coloração amarelo acinzentada e turva observada ao final da síntese.

5ml Citrato de

sódio 1%

Aquecimento

250 ml AgNO3

10-3

M Ebulição

Início da

redução 1 hora após adição

do citrato de sódio

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As partículas obtidas a partir desta síntese foram utilizadas em um estudo

realizado com o objetivo de gerar ganho na emissão de um laser aleatório de um filme

de PMMA (Polimetilmetacrilato) onde foram depositadas nanopartículas de prata e

rodamina 6G, enviado para o periódico JOSA B (Dominguez, C. T.; Maltez, R. L.; dos

Reis, R. M. S.; de Melo, L. S. A.; de Araujo, C. B. e Gomes, A. S. L. Dependence of the

random laser emission on silver nanoparticles density in PMMA films containing

rhodamine 6G. JOSA B. v. 28, n. 5. 2011). Outra aplicação destas nanopartículas de

prata será apresentada no capítulo 3, onde a interferência de suas superfícies no

comportamento óptico dos pontos quânticos é comparada à das outras nanopartículas

preparadas nesta tese.

2.4.2 Síntese de nanopartículas de prata revestidas por Pectina

Esta parte da tese foi decorrente de uma interação com o Grupo de Materiais

Fotônicos do Instituto de Química – UNESP\Araraquara, sob a supervisão dos

Professores Sidney J. L. Ribeiro e Younes Messaddec.

Para se obter nanopartículas revestidas com pectina, 1 ml pectina cítrica (CP

Kelco brand) a 0.5% foi adicionado a 25 ml de água e 3 ml de uma solução 10-3

M do

precursor (AgNO3 da Sima-Aldrich). O sistema foi submetido a aquecimento sob

agitação magnética e, ao atingir a temperatura de 80oC, 1 ml de uma solução de Citrato

de sódio (Sima-Aldrich) 0.1 M foi adicionado. A partir da adição da solução de Citrato

de sódio, manteve-se o aquecimento e também a agitação magnética por 30 minutos.

Durante este período, a solução, inicialmente incolor, tornou-se amarelo claro e, ao final

da síntese, amarelo mais escuro, porém com aspecto transparente. A síntese está

esquematizada na figura 13.

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Figura 13 – Esquema da síntese das nanopartículas de prata revestidas com pectina. Apresenta a mudança

de coloração (do incolor, passando ao amarelo pálido, até o amarelo mais forte, porém transparente)

observada durante o processo.

Para verificar se os resultados das medidas posteriormente realizadas com este

material para esta tese foram influenciados pela presença da pectina na nanopartícula de

prata, a mesma síntese descrita acima foi repetida, porém sem adição da pectina. Para se

manter o volume final de 30 ml de suspensão coloidal, 1 ml correspondente ao volume

da pectina 0.5% em água foi substituído por água apenas.

Adição de 1ml

Citrato de

sódio 0.1M

Início da

redução 30 minutos após

adição do Citrato

de sódio

1 ml pectina cítrica 0.5%

25 ml H2O

3 ml AgNO3 10-3

M

80o

Aquecimento

Agitação

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Apesar das duas últimas sínteses descritas terem como resultado suspensões

coloidais de coloração amarela, há visivelmente uma diferença de cor entre as duas. A

suspensão que tem a pectina envolvida na síntese tem uma coloração mais forte do que

aquela que não tem polímeros envolvidos na reação. Este fato pode ser confirmado na

figura 14, (A) e (B).

Figura 14 – Comparação da coloração entre a suspensão coloidal que utilizou a pectina durante a síntese,

em (A), e a síntese na qual o polímero foi suprimido, em (B).

2.4.3 Síntese de nanopartículas de prata revestidas por Jeffamina

A técnica desenvolvida para a síntese das nanopartículas de prata revestidas com

Jeffamina foi conseqüência de uma parceria com o Grupo de Materiais Fotônicos do

Instituto de Química – UNESP\Araraquara, sob a supervisão dos Professores Sidney J.

L. Ribeiro e Younes Messaddec. Para iniciar a síntese, 4 g de Jeffamina (PM 1900), da

marca Fluka (Sigma-Aldrich), foram adicionados à água deionizada, completando um

volume final de 25 ml. Esta solução foi aquecida, sob agitação magnética, até que

atingisse a temperatura de 70o

C. Neste momento foram adicionados 3 ml de uma

solução de Nitrato de prata 3x10-3

M. Depois de passados 10 minutos, foram

adicionados 2 ml de uma solução aquosa de Citrato de sódio 0.1 M. Depois de 10

minutos, a redução foi completa e a síntese concluída (Figura 15). O aspecto final da

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síntese acima explicada é semelhante ao da síntese que utiliza a pectina como polímero

estabilizante.

Figura 15 – Esquema ilustrativo da síntese de nanopartículas de prata revestidas por Jeffamina.

4g Jeffamina

(PM-1900)

+ H2O Aquecimento

Agitação

10 minutos

10 minutos

V = 25ml

3ml Nitrato de

prata 3x10-3

M 2ml Citrato de

sódio 0.1M

Início da redução Aspecto final

70o

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2.4.4 Síntese de nanocompósitos à base de celulose bacteriana e nanopartículas de

prata

Nesta tese foi utilizada a celulose bacteriana, produzida pela bactéria

Acetobacter xylinum. Esta celulose vem sendo amplamente utilizada pelo grupo de

Materiais Fotônicos do Instituto de Química UNESP\ Araraquara e esta parte do

trabalho foi conseqüência de mais uma parceria com o grupo coordenado pelos

professores Sidney J. L. Ribeiro e Younes Messaddeq.

A síntese dos nanocompósitos se deu a partir de dois métodos, sendo que ambos

se basearam na concentração do precursor metálico e do agente redutor empregados por

Lee e Meisel. Para a síntese foram selecionadas membranas hidratadas e com espessura

de aproximadamente 5 nm.

a) Nanocompósitos de CB com síntese in situ de nanopartículas de prata

Depois de lavada, a membrana hidratada de CB foi imersa em uma solução de

AgNO3 10-3

M para os íons Ag+ penetrarem nos poros da celulose. Passadas quatro

horas, a membrana foi lavada com etanol, e, em seguida, imersa em uma solução de

Citrato de sódio 1%, na qual permaneceu por 12 horas, para ocorrer o processo de

redução dos íons metálicos. Uma vez completo o processo de redução dos íons de prata,

a membrana adquiriu uma coloração amarela. Para concluir o processo, foi novamente

lavada e seca em estufa (Figura 16).

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Figura 16 – Variações no aspecto da membrana de CB durante a síntese in situ de nanopartículas de prata.

Em (A), Aspecto natural da membrana hidratada. Em (B), membrana devido à impregnação com

nanopartículas de prata sintetizadas in situ. Em (C), CB observada na imagem (B) depois de seca.

b) Nanocompósitos de CB impregnados com nanopartículas de prata em suspensão

Depois de sintetizadas as nanopartículas de prata pela técnica de Lee e Meisel, a

celulose foi imersa na suspensão por um período de 4 horas (Figura 17). Para completar

o processo, a membrana foi seca, também em estufa.

Figura 17 – Variações no aspecto da membrana de CB impregnada por nanopartículas de prata em

suspensão. Em (A), aspecto natural da membrana hidratada. Em (B), membrana escurecida devido à

impregnação com nanopartículas em suspensão. Em (C), membrana observada na imagem (B) depois de

seca.

(A) (B) (C)

(A) (B) (C)

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2.6 RESULTADOS E DISCUSSÃO

As nanopartículas de prata obtidas a partir do método proposto por Lee e Meisel

mostraram larga distribuição de tamanho e forma. Esse fato já era esperado e se deveu à

lentidão no processo de redução dos sais de prata pelo íon citrato (Turkevich, Stevenson

e Hillier, 1951; Lee e Meisel, 1982). A lentidão na redução dos íons de prata causa um

desequilíbrio entre as fases de nucleação e crescimento, momento crucial para a

obtenção de uma suspensão coloidal uniforme. Ou seja, quando o precursor foi

totalmente consumido na reação, alguns núcleos ainda estavam sendo formados,

enquanto outros já estavam na fase de crescimento formando as partículas (La Mer e

Gruen, 1952; Henglein e Giersig, 1999; Burda, Chen, Narayanan e col, 2005).

A ablação a laser foi empregada após a síntese química das nanopartículas com o

objetivo de uniformizar o tamanho das nanopartículas e garantir que elas seguissem um

padrão de formato esférico. De acordo com Kamat, Flumiani e Hartland (1998); Kamat

(2002); Miranda, Falcão-Filho, Rodrigues e col (2004) e Brito-Silva, Gómez, Araújo e

cols (2010) nanopartículas de ouro e prata sofrem fusão ou fragmentação e até

modificações morfológicas como conseqüência da irradiação por laser. A figura 18

apresenta um esquema da ação do laser nas nanopartículas de prata, além de mostrar a

mudança de coloração observada depois do processo de ablação a laser.

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Figura 18 – Esquema da ação do laser fragmentando as nanopartículas de prata. Em (A), cor amarelo

acinzentada, depois da síntese química, porém antes da ablação a laser. Em (B), coloração amarela, mais

clara e transparente, depois da ablação a laser.

A técnica de Espalhamento Dinâmico de Luz é a mais comum dentre as técnicas

empregadas para a determinação de tamanho de partículas. Consiste da emissão de um

feixe de luz monocromático que incide sobre uma amostra (solução) contendo partículas

esféricas em movimento aleatório, ou seja, Browniano. Devido ao movimento

Browniano, a intensidade da luz espalhada por um conjunto de partículas sofre

flutuações ao longo do tempo. Supondo que haja uma janela de dimensão reduzida,

através da qual a luz espalhada pelas partículas alcança um detector, a intensidade da

luz que atinge o detector irá flutuar devido ao movimento das partículas. Esta flutuação

da intensidade de luz espalhada ocorre com maior velocidade quando a dispersão

contiver partículas pequenas, pois estas se movimentam mais rapidamente e passa

diante da janela um número maior de vezes de dentro de um intervalo de tempo.

Estado de transição

Nanocluster de Ag

Fragmentação

(A) (B)

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Portanto, existe uma relação entre a velocidade de flutuação da luz espalhada e o

coeficiente de difusão das partículas (Papini, 2003).

A técnica de espalhamento dinâmico de luz foi empregada para auxiliar na

caracterização das nanopartículas sintetizadas a partir da técnica preconizada por Lee e

Meisel seguida de ablação a laser. As medidas realizadas por esta técnica utilizaram o

equipamento Zetasizer nano ZS 90. São realizadas três varreduras e obtidos três

gráficos, um para cada medida. O resultado final é uma média de três varreduras. A

figura 19 apresenta o gráfico referente à medida de espalhamento dinâmico de luz para

as nanopartículas de prata obtidas a partir da técnica de Lee e Meisel e submetidas a

duas horas de ablação a laser. A análise do gráfico indica que o tamanho médio das

partículas de prata obtidas foi de aproximadamente 12nm.

Figura 19 – Gráfico obtido pela técnica de espalhamento dinâmico de luz da amostra obtida a partir da

técnica de Lee e Meisel e submetida a 2 horas de ablação a laser. Diâmetro médio indicado de

aproximadamente 12 nm.

Em nanopartículas metálicas, a radiação eletromagnética causa a oscilação dos

elétrons de condução, induzindo a formação de momentos dipolo pelo carregamento da

superfície. A partícula tenta compensar através de uma força de restauração resultando

em um comprimento de onda ressonante único, no caso de partículas esféricas, gerando

a banda de plasmon de superfície. O comprimento de onda de oscilação depende de

Inte

nsi

da

de

(%)

Tamanho (d.nm)

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68

vários fatores como tamanho, forma, meio em que a partícula se encontra e distância

entre elas (Kerker, 1985; Averitt, Westcott e Halas, 1999; Link e El-Sayed, 1999; El-

Sayed, 2001; Kelly, Coronado, Zhao e col, 2003; Wiley, Sun, Mayers e col, 2005; Xia e

Halas, 2005).

Partículas de ouro e prata apresentam a banda de plasmons, quando em regime

nanométrico (Kim, Song e Yang, 2002; Zhao, Kelly e Schatz, 2003; Chen e Carroll,

2004). Por esta razão, a técnica de espectroscopia de absorção no ultravioleta/visível foi

utilizada na investigação das propriedades eletrônicas das nanopartículas sintetizadas

para esta pesquisa. A absorbância é medida para cada comprimento de onda. O

equipamento empregado para as medidas foi o UV-visible spectrophotometer,

SHMADZU.

Quando utilizada na caracterização das nanopartículas de prata sintetizadas de

acordo com a técnica proposta por Lee e Meisel, a espectroscopia de absorção no UV-

vis mostrou que há diferenças estruturais entre as amostras submetidas e as que não

foram submetidas à ablação a laser. Comparando-se os espectros presentes na figura 20,

distingue-se a amostra na qual não se aplicou a ablação a laser daquela submetida ao

processo. Além da curva da absorbância relacionada à amostra não submetida à ablação

a laser ter se mostrado mais larga, indicando uma maior dispersão de tamanho e forma,

observou-se também um deslocamento da banda de absorção que, antes da ablação

apresentava seu máximo em torno de 430 nm, passando para 394 nm depois da ablação.

Este deslocamento para um comprimento de onda menor, segundo a literatura (Link e

El-Sayed, 1999), indica a diminuição no tamanho médio das partículas.

Page 70: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

69

Figura 20 – Espectro de absorção no UV-Vis das nanopartículas de Prata obtidas pela técnica de Lee e

Meisel (curvas normalizadas). Curva em preto, referente às nanopartículas antes do processo de ablação a

laser e, em vermelho, às partículas que foram submetidas ao processo de ablação, pelo período de 2 horas.

Os resultados obtidos pela técnica de espectroscopia de absorção no UV-Vis e

de espalhamento dinâmico de luz foram posteriormente confirmados pela microscopia

eletrônica de transmissão.

A técnica de microscopia eletrônica de transmissão (MET) é adequada para a

obtenção de imagens das nanopartículas, permitindo a avaliação da distribuição de

tamanho, forma e, em microscópios de alta resolução, o estudo da rede cristalina. Os

elétrons interagem com os átomos da amostra através de espalhamentos elásticos ou

inelásticos. Os espalhamentos elásticos são os mais importantes por serem responsáveis

pelo contraste das imagens. Os elétrons são espalhados elasticamente pelos átomos da

amostra, havendo mudança na direção do elétron primário (decorrente do feixe

primário), mas sem perda de energia detectável. O espalhamento inelástico é oriundo de

processos nos quais há perda de energia detectável por parte dos elétrons primários

(Reimer, 1989).

As amostras foram pingadas em grades de ouro cobertas com filme de carbono

(300 mesh), depois disto, aguardou-se um período de 24 horas para secagem. Como as

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Ab

so

rbâ

ncia

Comprimento de onda (nm)

Antes da ablação

Após ablação (2h; 532nm)

Ab

sorb

ânci

as n

orm

aliz

adas

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70

amostras preparadas são bastante finas, os elétrons atravessam a amostra, sendo sua

energia e o ângulo de alcance afetados pelos espalhamentos elásticos e inelásticos na

amostra (Reimer, 1989).

Quanto mais denso o material, mais espessa a amostra e maior o número

atômico do material da amostra, mais intenso o espalhamento. Em sólidos cristalinos, só

os planos cristalinos paralelos ao feixe incidente contribuem para a figura de difração. A

passagem de elétrons em sólidos amorfos provoca espalhamento dos elétrons em quase

todas as direções (Padilha, 2008).

Para aquisição de micrografias a partir da microscopia eletrônica de transmissão,

foi utilizado um microscópio Tecnai 20, fabricado pela FEI.

As imagens obtidas pela técnica de microscopia eletrônica de transmissão

comprovam a importância da ablação a laser na obtenção de uma amostra homogênea

em relação ao tamanho e a forma de suas partículas. A imagem presente na figura 21

(A) refere-se à porção da amostra que não foi submetida à ablação. Apresentou uma

larga distribuição tanto de tamanho quanto de forma de suas nanopartículas,

comprovando o aspecto verificado anteriormente pela avaliação da curva obtida pela

técnica de espectroscopia de absorção no UV-Vis. Na amostra foram localizadas

partículas prismáticas, em forma de bastão e esféricas e o diâmetro variou de 5 a 237

nm (Figura 21 (A)).

Associando os resultados do espalhamento dinâmico de luz e da espectroscopia

de absorção no UV-Vis com os da microscopia eletrônica de transmissão, comprovou-

se a eficácia da ablação a laser. Na imagem 21 (B) as nanopartículas da parte da amostra

submetida ao laser apresentaram formato esférico e uma distribuição de tamanho mais

homogênea do que aquela analisada pela imagem da figura 21 (A).

Page 72: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

71

Figura 21 – Micrografia obtida por MET das nanopartículas de prata obtidas pelo método proposto por

Lee e Meisel. Em (A), amostra antes da ablação a laser, forma e tamanho variados. Em (B), amostra

submetida à ablação a laser, partículas esféricas e com diâmetro médio de 12 nm.

Tomando como base os resultados obtidos a partir das técnicas de caracterização

que detectou uma amostra de nanopartículas com diâmetro médio de 12 nm e da

concentração de precursor que participa da reação química, foi estimada uma

concentração de 1.82x1013

nanopartículas por ml da suspensão.

A literatura relata os benefícios trazidos pelas modificações nas superfícies de

nanomateriais (Moghimi, Hunter e Murray, 2005), porém, geralmente apresenta

técnicas de síntese complexas (Mulvaney, Liz-Marzán, Giersig e col, 2000). Esta tese

traz a descrição de duas técnicas simples para a síntese de nanopartículas de prata com

revestimento polimérico. Nos dois casos, tanto da pectina quanto da Jeffamina, o

recobrimento polimérico desempenhou bem seu papel de estabilizador, pois as

nanopartículas de prata sintetizadas mantiveram suas características durante vários

meses.

Nas nanopartículas com revestimento de Pectina, provavelmente a interação

entre o polímero e as nanopartículas foi facilitada pela presença dos grupamentos

(A

)

(B)

100 nm

20 nm

Page 73: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

72

hidroxila, oriundos das unidades do ácido D-galacturônico, formador da pectina

(Fishman e Jem, 1986; Sriamornsak, 2003), que interagem com a superfície metálica

(Kong e Jang, 2006; Dorjnamjin, Ariunaa e Shim, 2008).

Para iniciar a caracterização das partículas de prata com e sem pectina, a técnica

escolhida foi o Espalhamento Dinâmico de Luz, pois, na amostra que foi submetida à

ablação a laser, a técnica foi eficiente, permitindo uma rápida avaliação do material

sintetizado. Analisando os gráficos da figura 22, percebem-se três picos principais. O

mais intenso se refere às partículas de 272 nm, o de intensidade intermediária, às de 69

nm e o de menor intensidade, às de 4960 nm. Conclui-se então que as nanopartículas

revestidas com pectina apresentam uma grande dispersão de tamanho.

Figura 22 – Gráfico com as três medidas da técnica de espalhamento dinâmico de luz para a amostra de

nanopartículas de prata revestidas por pectina.

A figura 23 traz os gráficos referentes às varreduras da Técnica de Espalhamento

Dinâmico de Luz para as nanopartículas sem revestimento de pectina e também ilustram

a diversidade de tamanho do material estudado. Porém, segundo a técnica citada, a

maioria das partículas, representada pelo pico de maior intensidade, tem o diâmetro

Inte

nsi

dad

e (%

)

Tamanho (d. nm)

Page 74: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

73

aproximado de 43 nm. De acordo com os gráficos, existem também partículas menores

e maiores do que 43 nm.

Figura 23 – Gráfico com as três medidas da técnica de espalhamento dinâmico de luz para a amostra de

nanopartículas de prata sem revestimento de pectina.

Em seguida, foi empregada a técnica de absorção no UV-Vis. Avaliando o

gráfico da figura 24, observam-se as curvas referentes à absorbância das nanopartículas

de prata recobertas com pectina (em vermelho) e a curva das que não foram recobertas

(em preto). Comparando-as, conclui-se que as amostras apresentam-se semelhantes no

que diz respeito à dispersão e ao tamanho de suas partículas. Ainda analisando

informações retiradas do gráfico, observa-se que, em ambos os casos, a banda de

plasmon correspondente às nanopartículas de prata tem seu máximo em torno de 412

nm, havendo um deslocamento de 4 nm do máximo da banda de plasmons, em direção

ao vermelho, na amostra na qual as nanopartículas foram revestidas pela pectina.

Confirma-se a dispersão de tamanho nas duas amostras, representada pela largura das

curvas, porém, há uma discordância entre as duas técnicas empregadas, no que diz

respeito ao diâmetro médio das nanopartículas. Pela técnica de espalhamento dinâmico

de luz os diâmetros médios das nanopartículas obtidas foram muito diferentes para os

Inte

nsi

dad

e (%

)

Tamanho (d. nm)

Page 75: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

74

dois métodos de síntese (272 nm para partículas revestidas com pectina e 43 nm para as

partículas sem o polímero). Diante desta situação, as curvas de absorção deveriam

apresentar seus máximos bem distintos, fato não observado nas curvas de absorção da

figura 24.

Figura 24 – Espectro UV-Vis de nanopartículas de prata (curvas normalizadas). Curva em preto

correspondente às nanopartículas de prata sem recobrimento de pectina, em vermelho às nanopartículas

de prata revestidas com pectina.

Para tirar a dúvida entre os resultados das técnicas de espalhamento dinâmico de

luz e de espectroscopia de absorção no UV-Vis, foi então empregada a técnica de

Microscopia Eletrônica de Transmissão. No estudo morfológico e na estatística do

diâmetro médio das nanopartículas foram avaliadas aproximadamente 200

nanopartículas presentes nas micrografias. Confirmou-se a obtenção de nanopartículas

de morfologia semelhante (formato esférico) nos dois métodos de síntese, ou seja, no

método que utiliza a pectina como revestimento e no que conta apenas com o citrato de

sódio no processo de estabilização (Figura 25 (A) e (B)). As micrografias presentes nas

figuras 25 e 26 confirmam também a larga distribuição de tamanho das partículas

obtidas pelos dois métodos. Porém, o estudo estatístico dos tamanhos das nanopartículas

300 350 400 450 500 550 600

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

Ab

so

rbâ

ncia

s n

orm

aliz

ad

as

Comprimento de onda (nm)

Np com pectina

Np sem pectina

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75

realizado a partir das micrografias mostrou o diâmetro médio de 13 (+/- 4) nm numa

concentração de aproximadamente 8.3x1012

partículas de prata em cada ml do sistema

coloidal. Este resultado é diferente daquele obtido pela técnica de espalhamento

dinâmico de luz que indicou nanopartículas com diâmetro médio de 272 nm para a

amostra com pectina e de 43 nm para as sem pectina. A diferença entre os diâmetros

médios exibidos pelas duas técnicas pode ser explicada pela presença de aglomerados

de nanopartículas detectados através de micrografias das duas amostras (Figuras 25 (A)

e (B)). Na amostra com pectina, o polímero pode contribuir para aumentar ainda mais

para o diâmetro médio das partículas, confundindo o resultado obtido pela técnica de

espalhamento dinâmico de luz.

Figura 25 – Micrografia obtida a partir de MET dos aglomerados encontrados nas amostras das

nanopartículas de prata com (A) e sem (B) o revestimento de pectina.

Na avaliação da amostra de nanopartículas de prata revestidas com pectina pela

MET foi encontrada uma grande dificuldade na visualização da camada de pectina ao

redor das partículas, pois a energia do feixe de elétrons do microscópio destruiu

rapidamente o polímero durante as sessões de medida (Figura 26 (A)) (Kumar e Adams,

1990).

20 nm

10 nm

(A) (B)

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76

Apesar da dificuldade já relatada, sem dúvida, a MET pôde confirmar a presença

e também a disposição do polímero em volta da nanopartícula (Figura 26 (A) e (B)).

Esta característica garantiu que as moléculas dos fluoróforos, posteriormente estudados

nesta tese, fossem mantidas a diferentes distâncias do núcleo metálico das partículas

associadas.

Figura 26 – Micrografia obtida a partir de MET das amostras de nanopartículas de prata com (A) e sem

(B) o revestimento de pectina. Em detalhe, um zoom mostrando a diferença entre as superfícies das duas

amostras.

A espessura média da camada de pectina em volta do núcleo metálico das

nanopartículas de prata foi de 11 +/- 5.1 nm, obtida a partir de uma média da espessura

nas imagens onde o revestimento pôde ser observado.

Como o peso molecular da pectina não é bem definido, a técnica de síntese que

utiliza este polímero não garante o controle da espessura da camada que reveste o

núcleo metálico das nanopartículas metálicas. Por esta razão, foram sintetizadas

nanopartículas de prata revestidas pela Jeffamina. Esta técnica foi desenvolvida durante

os trabalhos laboratoriais realizados para esta tese, não havendo relatos da mesma na

literatura. Como o trabalho visou à aplicação biológica dos materiais obtidos, o objetivo

foi a síntese de nanopartículas de prata com grupamentos amina livres para a posterior

ligação de outras moléculas que direcionassem o material a um tecido alvo ou que

tivessem suas propriedades melhoradas pela proximidade do núcleo metálico. A escolha

(A) (B)

20 nm 20 nm

(A) (B)

(B)

(A)

(A)

Zoom Zoom

Page 78: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

77

da Jeffamina se baseou nos trabalhos de Henglein (1998) e Fendler (1996) que indicam

polímeros com aminas em seus terminais para serem utilizados no revestimento de

nanopartículas metálicas. Para garantir que um grupo amina estivesse disponível para

fucionalização, escolheu-se uma Jeffamina diamina. Pela alta reatividade e solubilidade,

o que facilita futuras aplicações, foi selecionada uma Jeffamina diamina (Huntsman

Corporation, 2007).

A formação das nanopartículas de prata foi inicialmente observada através do

espectro de absorção no UV-Vis (Figura 27), cujo gráfico mostra a banda de plasmons

com seu máximo em torno de 423 nm. A curva mostra um formato diferente do

observado nas outras duas sínteses. Provavelmente a alteração se deve à relação entre a

Jeffamina e a Prata, pois para cada mol de Jeffamina, apenas 4.5x10-3

mols de AgNO3

participam da reação. Outra informação importante que se obtém a partir da análise

deste gráfico é a grande distribuição de tamanho das nanopartículas obtidas.

Figura 27 – Espectro de absorção no UV-Vis de nanopartículas de prata revestidas com Jeffamina.

A micrografia exposta na figura 28 foi obtida a partir da técnica de Microscopia

Eletrônica de Transmissão e confirma a diferença de tamanho das nanopartículas de

prata obtidas cujo diâmetro médio foi de 17 +/- 15 nm.

360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

Ab

so

rbâ

ncia

Comprimento de onda (nm)

NpAg com Jeffamina

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78

O revestimento de Jeffamina foi proposto com a intenção de se controlar as

dimensões da camada polimérica em torno do núcleo metálico. Este parâmetro é difícil

de ser controlado na síntese que utiliza a pectina, já que esta, apesar da

biocompatibilidade, não apresenta massa molecular definida (Fishman e Jem, 1986;

Kashyap, Vohra, Chopra e col, 2001; Sriamornsak, 2003). Porém a Microscopia

Eletrônica de Transmissão não permitiu a visualização da Jeffamina ao redor dos

núcleos de prata, pelo problema descrito anteriormente. Este fato torna necessária a

realização de novas medidas a partir da mesma técnica de caracterização, visto que este

aspecto é importante para a continuação dos trabalhos desenvolvidos nesta tese.

Figura 28 – Micrografia obtida a partir de MET das amostras de nanopartículas de prata revestidas com

Jeffamina.

Aproveitando as propriedades antimicrobianas das nanopartículas de prata e a

biocompatibilidade da celulose bacteriana, foi preparado um material nanohíbrido que

associa celulose e nanopartículas de prata. O material foi proposto para futura aplicação

no tratamento de infecções da cavidade oral. Para avaliar a interferência dos poros da

celulose em relação ao tamanho das partículas, foram empregadas duas rotas de síntese,

20 nm

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79

em ambas o citrato foi empregado como redutor. Na primeira rota, a membrana de

celulose foi utilizada como meio para ocorrer a síntese das nanopartículas. Na segunda,

as nanopartículas foram sintetizadas conforme a técnica de Lee e Meisel (descrita

anteriormente), e, posteriormente, a membrana foi imersa na suspensão com as

nanopartículas.

Depois de secas, as membranas foram submetidas à espectroscopia de absorção

no UV-Vis (Figura 29) para detectar a presença do plasmon referente às nanopartículas

de prata que foram introduzidas na celulose. A figura 29 mostra as curvas referentes aos

espectros de absorção CB pura e seca e também da CB impregnada com as

nanopartículas de prata. Ao se obter a diferença entre a curva referente à celulose

impregnada com as nanopartículas de prata e a celulose pura, obteve-se a curva da

banda de plasmons para as partículas de prata presentes na membrana.

Figura 29 – Gráficos contendo as curvas obtidas a partir da espectroscopia de absorção no UV-Vis para os

compósitos formados por membrana de celulose e nanopartículas de prata. Curva em preto, referente à

celulose pura e seca, em vermelho, ao compósito formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à

banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre o compósito e a CB pura).

Gráfico (A), amostra onde houve síntese in situ das nanopartículas de prata, e, (B), para a membrana

imersa na suspensão de nanopartículas.

Em seguida, as membranas de celulose foram submetidas à avaliação pela

técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura. A técnica foi escolhida por permitir a

obtenção de informações sobre a ultraestrutura do material. Nesta técnica, ao contrário

da Microscopia eletrônica de transmissão, as informações não são geradas por elétrons

400 450 500 550 600 650 700

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

3,2

3,6

4,0

Ab

so

rbâ

ncia

Comprimento de onda (nm)

Cb

Cb+NpAg

Cb+NpAg-Cb

(B)

400 450 500 550 600 650 700

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Ab

so

rbâ

ncia

Comprimento de onda (nm)

Cb

Cb+NpAg

Cb+NpAg-Cb

(A)

Ab

so

rbâ

ncia

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80

que atravessam a amostra, e sim pela forma com a qual os elétrons interagem com os

átomos que a compõem. Quando os elétrons do feixe do microscópio entram em contato

com os átomos da amostra, sua velocidade inicial é alterada, em direção e em módulo,

fornecendo informações sobre o material avaliado. Os sinais mais importantes na

formação de imagens são os oriundos dos elétrons secundários e dos retroespalhados.

Os sinais dos elétrons secundários fornecem informações sobre a topografia da amostra

e estão relacionados à resolução da imagem, já os dos elétrons retroespalhados são

oriundos da interação com os núcleos dos átomos do material e geram informações

sobre a composição da amostra avaliada (Reimer, 1998).

Como as amostras utilizadas nesta pesquisa são compostas por polímero, foram

revestidas por uma fina camada de ouro. As medidas foram realizadas no CETENE e foi

empregado o Microscópio eletrônico de varredura ambiental fabricado pela FEI, modelo

Quanta 200 FEG.

A partir da avaliação das micrografias comprovou-se a presença das

nanopartículas de prata nas membranas obtidas pelas duas rotas de síntese, porém a

técnica que utilizou a membrana como meio de síntese teve uma distribuição de

tamanho mais homogênea do que a técnica na qual a celulose foi impregnada por

imersão em nanopartículas em suspensão (Figuras 30 e 31). O controle no tamanho das

partículas obtidas pela primeira rota foi atribuído aos poros de tamanho nanométricos da

celulose bacteriana.

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81

Figura 30 – Micrografia obtida por MEV da amostra de celulose bacteriana na qual ocorreu a síntese das

nanopartículas. Imagem, com aumento de 25000 X. No detalhe acima, um aumento de 40000 X da região

assinalada. Abaixo, aspecto da amostra utilizada.

Figura 31 – Micrografia obtida por MEV da amostra de celulose bacteriana que foi imersa em suspensão

de nanopartículas de prata. Imagem, com aumento de 20000 X. No detalhe acima, um aumento de 50000

X da região assinalada. Abaixo, aspecto da amostra utilizada.

Este resultado foi confirmado pelas imagens obtidas pela Microscopia Eletrônica

de Transmissão. Para esta avaliação, as amostras de celulose bacteriana impregnadas

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82

com prata foram incluídas em resina Epon, marca Agar e, depois de 24 horas, os blocos

de resina foram removidos para serem recortados em ultramicrótomo (LEICA MZ6).

Foram obtidos cortes de aproximadamente 70 nm de espessura que, me seguida, foram

colocados em uma grade de ouro para MET (300 mesh), sem revestimento (Figura 32).

Figura 32 – Esquema de preparo das amostras de celulose bacteriana impregnadas com prata para

avaliação por MET.

Avaliando as micrografias da figura 33, conclui-se que, de fato, os poros da

membrana de celulose interferiram no diâmetro das nanopartículas de prata sintetizadas.

A partir das imagens obtidas por MET (Figura 33), calculou-se que o diâmetro médio

das nanopartículas de prata que foram formadas pela técnica de crescimento in situ foi

Recortando membrana de celulose Inclusão de celulose em resina

Corte dos blocos de resina com a membrana

em ultramicrótomo

Bloco de resina

com membrana

Lâmina

Membrana de celulos

depositada sobre grade

para MET

Membrana de celulose

depositada sobre grade

para MET

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83

de 4 +/- 0.5 nm. Porém, ao se analisar, pela mesma técnica, as partículas presentes na

membrana que foi impregnada por nanopartículas de prata em suspensão, observou-se

que o diâmetro médio foi de 17 +/- 6 nm.

Figura 33 – Micrografias obtidas por MET das amostras de CB impregnada com prata. (A) CB na qual

ocorreu a síntese in situ e, em (B), membrana imersa na suspensão contendo nanopartículas de prata.

(A)

(B)

20 nm

20 nm

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84

CAPÍTULO 3

APLICAÇÃO DAS NANOPARTÍCULAS DE PRATA EM ESPECTROSCOPIA

ÓPTICA

Este capítulo se inicia trazendo conceitos básicos sobre as propriedades ópticas

das nanopartículas metálicas. Em seguida, observa-se, experimentalmente, que ao se

introduzir as partículas obtidas por técnicas de síntese diferentes, descritas no capítulo 2,

em meios fluorescentes contendo triptofano, rodamina e pontos quânticos, elas

apresentaram propriedades ópticas distintas. Conclui-se que a propriedade de emissão

da luz, características dos fluoróforos é intensificada pela presença das nanopartículas

de prata revestidas pela pectina.

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85

3.1 PROPRIEDADES ÓPTICAS DAS NANOPARTÍCULAS METÁLICAS

As propriedades ópticas dos metais são conseqüência da possibilidade de

deslocamento de seus elétrons. Ao se diminuir o tamanho do metal, diminui-se o livre

caminho médio dos elétrons (distância que o elétron tem que percorrer entre uma

colisão espalhadora e outra com os centros cristalinos), gerando absorções intensas na

região do espectro que vai do visível ao infravermelho próximo e garantindo às

nanopartículas metálicas uma coloração intensa quando em suspensões coloidais (El-

Sayed, 2001).

3.1.1 Absorção e espalhamento de luz

A primeira característica a ser observada em nanopartículas de metais nobres é a

coloração e intriga os cientistas desde o século XVII. Ao se referir à prata, suspensões

coloidais podem apresentar uma escala de cores que vai do amarelo ao marrom à

medida que o tamanho das partículas aumenta (Figura 34). Essa variação de cores

ocorre como conseqüência de absorção e espalhamento de luz em comprimentos de

onda específicos e que dependem do tamanho, forma e das estruturas vizinhas às

partículas (Kerker, 1985).

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86

Figura 34 – Nanopartículas de prata em suspensão. Variações de cor relacionadas ao tamanho das

partículas (Fonte: www.danaco.net/silver.html).

Dentre as propriedades ópticas das nanopartículas de metais nobres, como o

ouro e a prata, a ressonância de plasmons é explicada pela Teoria de Mie, uma solução

da equação de Maxwell. Até hoje estes conceitos são válidos e demonstram que a

ressonância de plasmons em nanopartículas metálicas é influenciada pela alta razão

superfície/volume e manifesta-se por absorções bem definidas em regiões distintas do

espectro visível. A ressonância de plasmons de partícula é provocada pela oscilação

coletiva dos elétrons de condução em resposta à excitação óptica promovida pela

aplicação de um campo eletromagnético externo. A figura 35 traz o esquema da

oscilação de plasmons para uma esfera, mostrando o deslocamento da nuvem dos

elétrons de condução da nanopartícula. O campo elétrico da radiação incidente induz à

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87

formação de um dipolo na partícula e uma força de restauração, na própria partícula,

tenta compensar esta formação do dipolo. Ou seja, quando a nuvem de elétrons é

deslocada em relação ao núcleo, uma força restauradora resultante da atração entre os

elétrons e o núcleo resulta numa oscilação da nuvem eletrônica de volta à estrutura

nuclear. O comprimento de onda de oscilação na absorção dos plasmons depende de

fatores tais como o tamanho médio, a forma, o meio no qual estão as nanopartículas, a

densidade de elétrons e a massa eletrônica efetiva. (Averitt, Westcott e Halas, 1999;

Link e El-Sayed, 1999; Jensen, Malinsky, Haynes e col, 2000; Kelly, Coronado, Zhao e

col, 2003; Wiley, Sun, Mayers e col, 2005; Xia e Halas, 2005).

Figura 35 – Esquema da oscilação dos plasmons para uma esfera. Resposta a uma excitação

eletromagnética que tem como conseqüência a geração de uma nuvem dos elétrons de condução da

partícula (Kelly, Coronado, Zhao e col, 2003).

Em nanopartículas de ouro e prata, os elétrons livres geram bandas de absorção

referentes à ressonância dos plasmons na região visível do espectro. Em suspensões de

nanopartículas de ouro e prata, esféricas, e com o tamanho entre 1 e 20 nm, as bandas da

ressonância dos plasmons estão localizadas em torno de 510 e 400 nm, respectivamente

(Xia e Halas, 2005). Por esta razão, a espectroscopia UV-Vis tornou-se uma maneira

rápida e eficaz para detecção da presença, do tamanho médio e da distribuição de

Page 89: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

88

tamanhos das nanopartículas metálicas. Para isto, utilizam-se os valores de máximo e de

largura à meia altura da banda dos plasmons (Kim, Song e Yang, 2002; Zhao, Kelly e

Schatz, 2003; Chen e Carroll, 2004).

Conforme o esquema ilustrado pela figura 36, variando-se o formato das

partículas, engloba-se uma região mais ampla do espectro, aumentando as

possibilidades de aplicações dos materiais (Lal, Link e Halas, 2007; Gomes, 2009).

Figura 36 – Seleção da ressonância de plasmons em nanopartículas metálicas, levando em consideração o

tamanho, a forma e a estrutura de composição (Adaptado de Gomes, 2009).

No caso de nanoestruturas metálicas com formato diferente do esférico, como é

o caso dos bastões e das partículas que têm núcleo e recobrimento distintos, a

ressonância de plasmons é influenciada pela geometria: nos nanobastões, pela relação

entre a largura e o comprimento (Figura 37) e nas outras pela relação

núcleo/recobrimento (Link, Wang e El-Sayed, 1999; Westcott, Jackson, Radloff e col,

2002; Liz-Marzán, 2004).

Esferas de Ag

Bastões de Ag

Cubos de Ag

Comprimento de onda (nm)

Prismas de Au

Bastões de Au

Partículas de Au

Plaquetas de Ag

Liga de Ag e Au

Conchas de Au ocas

Conchas de SiO2 Au Conchas de SiO2 Ag

Comprimento de onda (nm)

Page 90: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

89

Figura 37 – Esquema ilustrativo da diferença do dipolo induzido mediante a incidência da radiação

eletromagnética em nanopartículas de formato esférico (parte superior) e de bastões (parte inferior). Em

(A), micrografias obtidas por MET, havendo dois tamanhos diferentes para as partículas esféricas. Em

(B), formação do dipolo induzido. Em (C), gráficos dos espectros de absorção gerados por partículas

esféricas de tamanhos variados, parte superior, e por nanobastões, parte inferior. (Adaptado de: El-Sayed,

2001; Liz-Marzán, 2004).

A possibilidade de variar a forma de nanomateriais metálicos gerando

comportamentos ópticos novos e, conseqüentemente, melhorar e ampliar suas

aplicações está se tornando um desafio para os pesquisadores que atuam na área de

síntese de materiais. O principal desafio está associado à complexidade das técnicas

Comprimento de onda (nm)

Ab

sorb

ânci

a

RP transversal

RP longitudinal

(b)

(c)

Ab

sorb

ânci

a Comprimento de onda (nm)

(a) (b)

(c)

(A)

(A)

(C)

(B)

(C)

(B)

Page 91: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

90

aplicadas, porém as dificuldades vêm sendo superadas e trabalhos com resultados

relevantes sendo desenvolvidos. É o caso do trabalho publicado por Kim, Song e Yang

(2002) que utiliza reações fotoquímicas, e adiciona concentrações diferentes de Nitrato

de prata a sistemas contendo nanopartículas de ouro, para a obtenção de nanobastões de

ouro e prata (Figura 38).

Figura 38 – Em (A), aspecto macroscópico das suspensões dos nanobastões de ouro e prata obtidos a

partir de reações fotoquímicas, em suspensões. Em (B), espectros de absorção no UV-Vis das suspensões

mostradas em (A). (C), micrografias obtidas por MET, em maior e menor aumento, das mesmas amostras

(Kin, Song e Yang, 2002).

O controle das técnicas de síntese também possibilitou a obtenção de

nanopartículas de prata e ouro com cavidades em seu interior. Nesta síntese, as

nanoestruturas de prata servem tanto de fonte de elétrons quanto de molde, em torno do

qual, os átomos de ouro são gerados por processos de oxidação/redução. A estrutura

resultante assume aspecto complementar à do molde de prata, com o espaço interno oco,

determinado pelo modelo (Wiley, Sun, Meyers e col, 2005).

Ab

sorb

ânci

a

Comprimento de onda (nm)

(a)

(b)

(c) (A)

(B)

(C)

Page 92: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

91

3.2 INTERAÇÃO ENTRE SUPERFÍCIES METÁLICAS E FLUORÓFOROS

As interações entre fluoróforos e superfícies de nanopartículas metálicas estão

sendo utilizadas para aumentar a intensidade da fluorescência (Aslan, Wu, Lakowicz,

2007), realizar ensaios baseados na supressão da fluorescência por sistemas coloidais de

metais nobres (Anger, Bharadwaj e Novotny, 2006) e obter radiação direcional a partir

de fluoróforos localizados nas proximidades de superfícies metálicas (Lakowicz,

Malicka, Gryczynski e col, 2003). Estas interações podem ser aplicadas na

Biomedicina, contribuindo para o surgimento de novas técnicas de diagnóstico e

também de tratamento. Estas técnicas contam com o aumento de sensibilidade e

seletividade das nanopartículas (Sokolov, Chumanov e Cotton, 1998; Matveeva,

Gryczynski e Lakowicz, 2005; Geddes, Gryczynski, Malicka e col, 2003).

A teoria sobre a intensificação da fluorescência em presença de superfícies e

nanopartículas metálicas foi desenvolvida nos anos 80 (Gersten e Nitzan, 1984), porém

suas demonstrações e aplicações são mais recentes e atribuem seus efeitos a três

mecanismos. O primeiro é a transferência de energia responsável pela supressão da

fluorescência; o segundo mecanismo compreende a variação espacial do campo da luz

incidente, intensificando a absorção de luz pelos fluoróforos, e, o último mecanismo é

aquele verificado quando uma partícula, por estar próxima a um fluoróforo, tem a

capacidade de aumentar sua taxa de decaimento radiativo, que corresponde à taxa que

mede a capacidade dos fluoróforos emitirem fótons (Geddes e Lakowicz, 2002; Aslan,

Gryczynski, Malicka e col, 2005). Os três mecanismos dependem da distância entre o

fluoróforo e as superfícies metálicas.

A presença de superfícies ou partículas metálicas nas proximidades de moléculas

de fluoróforos altera as condições do meio no qual ocorre o fenômeno da fluorescência

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92

alterando os resultados espectrais. Quando um fluoróforo está nas proximidades de uma

partícula ou superfície metálica irradiada, esta gera uma onda de carga superficial. O

grau de interação entre o fluoróforo e a onda de carga superficial da partícula depende

da sobreposição espectral das transições eletrônicas deste fluoróforo e da nanopartícula

ou superfície metálica e também da distância entre a superfície metálica e o fluoróforo

(Aslan, Gryczynski, Malicka e col, 2005).

O diagrama de Jabłoński (Figura 39) pode ajudar na compreensão dos

mecanismos resultantes desta interação. A absorção de um fóton faz com que o

fluoróforo atinja o estado singleto excitado (S1), em seguida, as moléculas emitem um

fóton a uma taxa, Г, ou retornam ao estado fundamental por um processo de decaimento

não radiativo com taxa knr. Existe ainda outra possibilidade de desativação, ou seja, de

remover a população do nível S1, resultando no processo de supressão, cuja taxa é kq. A

presença de superfícies metálicas pode ter como conseqüência um aumento significativo

na absortividade, além de um deslocamento espectral da banda de absorção. O aumento

da absorção, por sua vez, interfere na taxa de transição do nível S1 para S0 através da

emissão de um fóton ou no valor da taxa de fluorescência (Г). A fluorescência

decorrente da molécula (fluoróforo) é, em parte, refletida e refratada pela partícula ou

superfície metálica presente em sua proximidade. Esta associação pode gerar um

segundo efeito do tipo emissão estimulada ou decaimento radiativo. Porém, se a relação

entre a onda de cargas da superfície metálica e o dipolo molecular estiver a uma

distância muito reduzida, o efeito observado será de supressão da emissão, havendo um

aumento na taxa de decaimento não radiativo (knr) (Geddes e Lakowicz, 2002).

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93

Figura 39 – Diagrama de Jabłoński clássico, em (A). Em (B), o diagrama modificado para ilustrar a

presença de ilhas, partículas ou colóides metálicos. E – excitação, Em – taxa de excitação intensificada

pela presença do metal, e Гm – taxa radiativa na presença de metal (Adaptado de Geddes e Lakowicz,

2002).

O rendimento quântico de um fluoróforo pode ser expresso através da equação

(2) (Geddes e Lakowicz, 2002).

(2)

Onde, Г é a taxa de fluorescência e knr e kq constantes não radiativas que desativam o

estado excitado.

O tempo de vida da fluorescência, ou tempo de decaimento, é uma média do

tempo proporcional ao conjunto das moléculas fluorescentes que restam no estado S1

(Aslan, Gryczynski, Malicka e col, 2005):

(3)

knr

S0

S1

S2

Г E

Meio livre de

nanopartículas metálicas

S0

S1

S2

Г knr Гm E Em

Com superfícies

metálicas

Page 95: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

94

A meia vida e a intensidade da fluorescência dos fluoróforos são diretamente

influenciadas pelo meio, porém Γ não é significantemente alterada. Estas modificações

se devem a mudanças em knr ou kq. Se Q0 for relativamente pequeno, então knr + kq será

muito maior do que Γ. Se o valor de Q0 for alto, então Γ será muito maior do que knr +

kq. Então, é possível promover modificações espectrais nos fluoróforos ao se alterar knr

ou kq. Invariavelmente, Q0 e τ0 são alterados conjuntamente (Geddes e Lakowicz, 2002;

Aslan, Gryczynski, Malicka e col, 2005).

As modificações em Γ geralmente não são levadas em consideração, pois esta

taxa é determinada pela probabilidade de transição e pela capacidade de oscilação na

transição de S1 S0. Quando os fluoróforos são localizados a distâncias adequadas das

partículas ou superfícies metálicas, suas taxas de decaimento radiativo, Γm, podem

sofrer alterações e, ao se aumentar Γm, aumenta-se a intensidade de fluorescência, Qm, e

se reduz o tempo de vida, τm, que se converte à condição verificada no meio, onde

ambos são modificados conjuntamente (Geddes e Lakowicz, 2002; Aslan, Gryczynski,

Malicka e col, 2005).

(4)

(5)

A possibilidade de se modificar e controlar a taxa de decaimento radiativo

(Γ+Γm) pode trazer implicações para estudos de fluorescência e também para suas

Page 96: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

95

aplicações. Esta prática recebe o nome de amplificação da fluorescência por superfícies

metálicas (MEF).

O efeito MEF foi confirmado através de simulações teóricas baseadas nas

equações (4) e (5) com fluoróforos de rendimentos quânticos considerados: bom, baixo

e muito baixo. A presença de superfícies metálicas promoveu o maior efeito de

intensificação da emissão nos fluoróforos de rendimento quântico mais baixo que se

tornaram altamente fluorescentes (Kummerlen, Leitner, Brunner e col, 1993). Os

resultados teóricos foram confirmados através de experimentos que associaram

partículas e superfícies metálicas a estruturas biológicas importantes, mas com pouca

capacidade de fluorescência, como DNA e nucleotídeos. A baixa fluorescência

intrínseca destas estruturas biológicas foi acentuada na presença de superfícies

metálicas, possibilitando a medição deste aumento (Lakowicz, Shen, Gryczynski e col,

2001, Lakowicz, Shen, D'Auria e col, 2002). Estas descobertas despertaram a atenção

de importantes grupos de pesquisa para a possibilidade de aumentar a sensibilidade na

detecção do DNA pela intensificação da fluorescência devido à associação de

nanopartículas de prata (Malicka, Gryczynski e Lakowicz, 2003; Chen, Munechika e

Ginger, 2007).

Analisando-se as equações (2) e (3), conclui-se que quando ocorre a supressão,

tanto o tempo de meia vida quanto o rendimento quântico são reduzidos por processos

de diminuição de população no nível S1 (Geddes e Lakowicz, 2002; Aslan, Gryczynski,

Malicka e col, 2005).

Fluoróforos com tempo de vida mais longo sofrem maior supressão da

fluorescência do que aqueles que têm um tempo de vida mais curto. Fluoróforos que

apresentam baixo rendimento quântico em solução contendo agentes desativadores,

quando próximos a superfícies metálicas, tendem a ter a amplificação de fluorescência

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96

aumentada devido ao aumento da taxa radiativa, que se mostra mais eficiente, quando

em competição, do que o fenômeno de supressão da fluorescência. O aumento da

concentração de agentes desativadores pode fazer com que apenas os fluoróforos

próximos da superfície metálica sejam observados (Figura 40) (Geddes e Lakowicz,

2002).

Figura 40 – Aumento da intensidade de emissão do fluoróforo à medida que este se aproxima da

superfície metálica. A concentração de agente desativador se mantém em todo o sistema. F – fluoróforo,

Q – agente desativador (Adaptado de Geddes e Lakowicz, 2002).

3.3 METODOLOGIA PARA ANÁLISE ÓPTICA DE SISTEMAS COLOIDAIS

DE PRATA

Esta etapa da tese foi realizada em colaboração com o Grupo de Materiais

Fotônicos do Instituto de Química (UNESP/Araraquara), sob a supervisão dos

Professores Sidney J. L. Ribeiro e Yunes Messaddeq e também com o Laboratório de

F F

Q

Q

Q

Q Q

Q

Q

Q

Q

Q

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97

Biofísica Química, sob a supervisão das Professoras Adriana Fontes, Beate Santos e

Patrícia M. A. Farias (Depto. de Biofísica e Radiobiologia, UFPE). Este último foi

responsável pela preparação e caracterização dos pontos quânticos de CdTe/CdS

utilizados.

Foram obtidos espectros de absorção através da técnica de espectroscopia de

absorção na região do ultravioleta-visível. A técnica consiste da absorção da radiação

ultravioleta/visível que compreende a faixa do espectro que vai de 180 a 780 nm, pela

amostra estudada, causando a promoção de elétrons do estado eletrônico fundamental ao

estado excitado. Para se obter a medida, a luz, na faixa de comprimento de onda

descrito, atravessa uma solução diluída da amostra. O espectro de absorção é dado pela

razão entre a intensidade de radiação que passou pela amostra e pela referência (no caso

deste trabalho, água) (Skoog, Holler e Crouch, 2007). Para a realização destas medidas,

foi empregado com o equipamento UV-visible spectrophotometer SHMADZU.

A emissão das soluções com os fluoróforos com e sem nanopartículas de prata

no meio também foi avaliada. Todas as medidas de emissão realizadas neste capítulo da

tese foram executadas com espectrofluorímetro contador de fótons modelo ISS PC1.

Para avaliar o fenômeno de amplificação da fluorescência provocado pela

introdução de nanopartículas de prata a meios contendo fluoróforos, foram empregadas

as nanopartículas de prata obtidas pela metodologia explicada no capítulo 2. Os

fluoróforos selecionados para terem o comportamento estudado, diante das

nanopartículas de prata, foram o Triptofano, rodamina e os pontos quânticos. Sendo a

rodamina utilizada em teste para lasers aleatórios.

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98

3.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

O triptofano foi escolhido para ser utilizado nesta tese por ser o aminoácido

neutro precursor da síntese do neurotransmissor serotonina (Kapczinski, Busnello, J.

Abreu e col, 1998) e sua fluorescência em proteínas muito utilizada como ferramenta na

microscopia (Koening, Becker, Fischer e col, 1999). Alterações nas propriedades

ópticas do triptofano como intensidade de fluorescência, deslocamentos de

comprimentos de onda máximos de emissão, diminuição nos tempos de vida de

fluorescência, alargamento e mudanças no formato do espectro de excitação, e

transferência de energia, são utilizados para monitorar mudanças nas proteínas,

permitindo o acompanhamento de seus processos dinâmicos (Vivian, James, Callis e

col, 2001). Isto faz com que o aumento na intensidade do espectro de emissão do

triptofano ocasionado pela presença das nanopartículas de prata se torne uma ferramenta

interessante para a Biomedicina.

O gráfico presente na figura 41 (A) apresenta as curvas de absorção no UV-vis

do triptofano (em vermelho), com seu máximo em aproximadamente 280 nm, das

nanopartículas de prata envolvidas com pectina (em preto), com seu máximo em torno

de 412 nm e das nanopartículas de prata revestidas com pectina junto ao triptofano (em

azul). O gráfico da figura 41 (B), que traz as curvas de emissão das mesmas amostras

citadas acima e mostram que quando o triptofano aparece junto às nanopartículas de

prata recobertas com pectina há aumento da emissão, em relação ao triptofano em meio

contendo apenas água. Os espectros de emissão foram adquiridos excitando-se em 280

nm que corresponde ao máximo de absorbância para o triptofano.

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99

Figura 41 – Espectros do triptofano. Em (A), espectro de absorção no UV-Vis do triptofano, em

vermellho, e das nanopartículas de prata revestidas pela pectina, em preto. Em (B), Estudo da emissão da

associação entre nanopartículas de prata revestidas por pectina e triptofano. Em preto, ausência de

emissão da suspensão coloidal de nanopartículas de prata revestidas com pectina. Em vermelho, emissão

do triptofano em água. Em azul, emissão do triptofano em meio contendo as nanopartículas de prata com

pectina.

Os dados obtidos nesta pesquisa são contrários aos publicados por Rátiva,

Gomes, Wachsmann-Hogiu e col (2008). Eles observaram que não houve aumento da

fluorescência para excitações com um ou dois fótons (Figura 42 (A) e (B)). Os

pesquisadores apenas relataram o aumento da fluorescência do triptofano nas

proximidades de nanopartículas de prata diante da excitação com 3 fótons em 800 nm

(Figura 42 (C)), explicando o fato através da presença de um nível de plasmon

intermediário (da prata).

300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Inte

nsid

ad

e (

u. a

.)

Comprimento de onda (nm)

AgPec

TrpH2O

TrpAgPec

250 300 350 400 450 500 550 600

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Ab

so

rbâ

ncia

Comprimento de onda (nm)

AgPec

TrpH2O

280 nm

412 nm (A) (B)

Comprimento de onda (mn) Comprimento de onda (nm) Comprimento de onda (nm)

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100

Figura 42 – Espectro de emissão da solução de triptofano com diferentes fatores de preenchimento de

nanopartículas de prata (ƒ) excitados pelo processo de absorção de (A) 1, (B) 2, e (C) 3 fótons (Adaptado

de Rátiva, Gomes, Wachsmann-Hogiu e col, 2008).

A diferença entre os resultados obtidos por Rátiva, Gomes, Wachsmann-Hogiu e

col (2008) e os resultantes desta pesquisa está na concentração e revestimento

polimérico das nanopartículas de prata utilizadas. Os pesquisadores citados sintetizaram

as nanopartículas de prata utilizadas, seguindo a técnica proposta por Lee e Meisel,

seguida da ablação a laser (citada no capítulo 2 desta tese), enquanto que neste

experimento foram empregadas as nanopartículas com revestimento de pectina, cuja

síntese também foi detalhada no capítulo anterior.

Como a técnica de síntese proposta por Lee e Meisel, seguida de ablação a laser,

gera uma amostra com maior concentração de partículas (1.82x1013

nanopartículas /ml),

Inte

nsi

dad

e (u

. a.

)

Comprimento de onda (nm)

(A) (B)

Comprimento de onda (nm)

Inte

nsi

dad

e (u

. a.

)

(C)

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101

as moléculas de triptofano ao serem adicionadas à suspensão tendem a se localizar

muito próximas às nanopartículas metálicas aí presentes, gerando o efeito anteriormente

explicado de supressão da fluorescência (Geddes e Lakowicz, 2002; Aslan, Gryczynski,

Malicka e col, 2005). Já na amostra utilizada neste experimento, a concentração de

nanopartículas de prata (8.3x1012

nanopartículas /ml) e também a camada de pectina

que as reveste garante a manutenção de uma distância entre a molécula fluorescente, no

caso o triptofano, e o núcleo metálico da partícula. Estas condições favorecem o

fenômeno de amplificação da fluorescência.

Também foram realizados experimentos com a rodamina 6G. Nanopartículas de

prata e rodamina 6G foram introduzidas em um filme de PMMA, com o objetivo de

amplificar o sinal de lasers aleatórios. A técnica de síntese empregada para a preparação

das nanopartículas utilizadas foi a preconizada por Lee e Meisel, seguida da ablação a

laser, detalhada no capítulo 2 desta tese. O polímero (PMMA) foi o hospedeiro da

rodamina, corante que atuou como meio amplificador para o laser aleatório, e das

nanopartículas de prata que tiveram o papel de amplificar a capacidade de emissão do

corante. O trabalho testou a interferência da concentração das nanopartículas de prata na

emissão do laser aleatório. O experimento está descrito no artigo “Dependence of

random laser emission on silver nanoparticle density in PMMA films containing

rhodamine 6G” que foi publiucado no periódico JOSA B, volume 28, páginas 1118 a

1123, em maio de 2011 (Dominguez, Maltez, dos Reis e col, 2011).

Os resultados obtidos com o triptofano e a rodamina em meios contendo as

nanopartículas de prata com e sem o revestimento de pectina estimularam a realização

de testes com os três tipos de partículas de prata obtidos a partir das técnicas de síntese

descritas no capítulo 2. Neste experimento foram utilizados pontos quânticos de

CdTe/CdS.

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102

Pontos quânticos são nanocristais de semicondutores e são utilizados como

marcadores fluorescentes em técnicas inovadoras de imagem, colaborando para o

avanço da Biomedicina. Em relação aos corantes orgânicos, os pontos quânticos

apresentam maior resistência à fotodegradação e alta intensidade de fluorescência. O

aumento da intensidade da emissão dos pontos quânticos representa melhoras no

desempenho dos marcadores, resultando na utilização de técnicas de diagnóstico por

imagem com maior sensibilidade (Ray, Badugu e Lakowicz, 2006).

A ligação dos pontos quânticos a outros nanomaterias ou a moléculas altera

quimicamente suas superfícies, podendo diminuir a intensidade de emissão. A

associação destes nanocristais a nanopartículas de prata pode ser apresentada como uma

solução para este problema (Fu, Zhang e Lakowicz, 2009).

Na literatura, experimentos associando nanopartículas metálicas a pontos

quânticos foram realizados e seus resultados mostraram sucesso, ao apresentarem o

aumento da intensidade de emissão. A maioria destes trabalhos, porém, utilizou filmes

contendo as duas espécies (Song, Atay, Shi e col, 2005; Ray, Badugu e Lakowicz, 2006;

Ito, Matsuda e Kanemitsu, 2007). Em 2009, Fu, Zhang e Lakowicz publicaram

resultados de aumento na intensidade da fluorescência de pontos quânticos ligados a

nanopartículas de prata revestidas com biotina (Vitamina B7), em meio líquido.

A caracterização óptica dos pontos quânticos de CdTe/CdS utilizados está

representada na figura 43 pelos espectros de absorção e emissão. A espectroscopia de

absorção no UV-vis permite que se estime o diâmetro médio dos pontos quânticos.

Tomando-se como base o primeiro máximo de absorção (em torno de 470 nm) e dados

da literatura (Rogach, Franzi, Feldmann e col, 2007), afirma-se que as partículas

possuem o diâmetro médio de 2.3 nm. Associando o diâmetro médio dos pontos

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103

quânticos à metodologia de síntese, estima-se a que concentração de partículas (Yu, Qu,

Guo e col, 2003) seja de 1021

partículas por ml da suspensão.

Ao se comparar o espectro de absorção das partículas de CdTe/CdS aos das

nanopartículas sintetizadas no capítulo 2, percebe-se uma sobreposição espectral das

transições eletrônicas dos pontos quânticos (Figura 43) e das nanopartículas metálicas.

Figura 43 – Espectro de absorção e de emissão dos pontos quânticos de CdTe/CdS. No detalhe, suspensão

dos pontos quânticos excitada por luz ultra-violeta (λ – 365 nm).

A concentração de pontos quânticos de CdTe/CdS adicionada à água, às

nanopartículas de prata envolvidas por pectina, às nanopartículas de prata sem o

revestimento de pectina, e às nanopartículas de prata submetidas a ablação a laser foi de

6.0x1018

partículas/ml.

O comportamento dos pontos quânticos em cada um destes meios e a influência

dos meios na capacidade de emissão foi estudado e pode ser avaliado analisando-se as

curvas da figura 44.

Ao se levar em consideração as curvas em preto, referente à emissão dos pontos

quânticos em água e as acurvas referentes aos pontos quânticos em nanopartículas com

e sem revestimento de pectina (vermelha e azul respectivamente), observa-se a

amplificação da emissão na presença das nanopartículas de prata.

Page 105: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

104

Analisando-se apenas as curvas em azul e em vermelho, comprova-se que a

camada de pectina em torno dos núcleos metálicos favoreceu o aumento da emissão,

visto que esta é a única diferença entre as duas amostras de nanopartículas de prata

utilizadas. Porém, ao se introduzir os pontos quânticos em um meio onde há

nanopartículas de prata obtidas pela síntese que segue o método proposto por Lee e

Meisel, seguida da ablação a laser, observou-se a supressão da emissão. A supressão da

fluorescência também foi observada por Rátiva, Gomes, Wachsmann-Hogiu e col, em

2008, ao introduzirem nanopartículas de prata, obtidas pela mesma síntese (proposta por

Lee e Meisel, seguida por ablação a laser), no meio contendo triptofano.

As mudanças de emissão provocadas pela introdução de nanopartículas de prata

sem revestimento de pectina em meio contendo pontos quânticos de CdTe/CdS podem

ser acompanhadas analisando-se as curvas azul (nanopartículas sem pectina) e verde

(nanopartículas de prata obtidas a partir da técnica preconizada por Lee e Meisel,

seguida de ablação a laser) do gráfico da figura 44. A diferença do comportamento

óptico gerado pela introdução dois sistemas coloidais no meio contendo os pontos

quânticos foi atribuída à concentração das nanopartículas. Como já explicado

anteriormente, a concentração de nanopartículas de prata altera o meio, podendo resultar

na supressão da emissão (Geddes e Lakowicz, 2002; Aslan, Gryczynski, Malicka e col,

2005).

Page 106: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

105

Figura 44 – Curvas do espectro de emissão dos sistemas: Pontos quânticos de CdTe/CdS em água (em

preto); pontos quânticos de CdTe/CdS com nanopartículas de prata revestidas com pectina (em

vermelho); pontos quânticos de CdTe/CdS com nanopartículas de prata sem pectina (em azul) e pontos

quânticos de CdTe/CdS com nanopartículas de prata obtidas pela técnica de Lee e Meisel, seguida da

ablação a laser (em verde). λ de excitação (acima dos gráficos) – 280, 375 e 445 nm.

Para tirar qualquer dúvida sobre a ação da pectina na amplificação da emissão

das medidas exibidas na figura 44, foram feitos testes medindo-se a emissão de uma

amostra contendo pontos quânticos à pectina, mantendo-se a mesma concentração

utilizada na síntese das partículas de prata revestidas (Figura 45). A análise do gráfico

da figura 45 comprova que não houve interferência do polímero no aumento da emissão,

sendo esta atribuída às nanopartículas de prata.

480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

Inte

nsid

ad

e (

u. a

.)

Comprimento de onda (nm)

CdTe/CdS H2O

CdTe/CdS AgPec

CdTe/CdS Ag

CdTe/CdS AgFoto

480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

Inte

nsid

ad

e (

u. a

.)

Comprimento de onda (nm)

CdTe/CdS H2O

CdTe/CdS AgPec

CdTe/CdS Ag

CdTe/CdS AgFoto

λ excitação – 375 nm λ excitação – 445 nm

480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

Inte

nsid

ad

e (

u. a

.)

Comprimento de onda (nm)

CdTe/CdS H2O

CdTe/CdS AgPec

CdTe/CdS Ag

CdTe/CdS AgFoto

λ excitação – 280 nm

Comprimento de onda (nm) Comprimento de onda (nm)

Inte

nsi

dad

e (u

.a.)

Page 107: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

106

Figura 45 – Curvas do espectro de emissão dos sistemas: Pontos quânticos de CdTe/CdS em água (em

preto); pontos quânticos de CdTe/CdS com pectina, sem prata (em vermelho) e pontos quânticos de

CdTe/CdS em meio contendo nanopartículas de prata revestidas com pectina (em azul). λ excitação de

375 nm.

480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

Inte

nsid

ad

e (

u. a

.)

Comprimento de onda (nm)

CdTe/CdS H2O

CdTe/CdS Pec

CdTe/CdS AgPec

Inte

nsi

dad

e (u

.a.)

Page 108: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

107

CAPÍTULO 4

APLICAÇÃO DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA EM TERAPIA

FOTODINÂMICA

O capítulo 4 traz uma breve explicação sobre a técnica de terapia fotodinâmica,

bem como conceitos importantes para sua compreensão. São detalhadas as aplicações da

técnica no tratamento de infecções localizadas, inclusive na Odontologia. Em seguida,

são realizados experimentos que estudam a interferência das nanopartículas de prata na

liberação de oxigênio singleto, elemento fundamental para a terapia fotodinâmica. O

fotossensibilizador escolhido é a riboflavina e as nanopartículas de prata que

proporcionaram o melhor resultado são as revestidas com a pectina. Para concluir o

experimento, o oxigênio singleto gerado pelo sistema nanopartículas de prata revestidas

por pectina – riboflavina é quantificado com o auxílio do sensor verde para oxigênio

singlete (GR). A quantidade de oxigênio singleto produzido foi dobrada quando as

nanopartículas de prata com pectina foram introduzidas no meio contendo riboflavina.

Foi quantificada, pela primeira vez, a produção de oxigênio singleto em meio aquoso e

utilizando-se um sistema biocompatível.

Page 109: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

108

4.1 TERAPIA FOTODINÂMICA

A terapia fotodinâmica (TFD) é um método de tratamento que utiliza a luz para

ativar um agente fotossensível (fotossensibilizador) em presença de Oxigênio. A

exposição do fotossensibilizador à luz, num comprimento de onda específico, resulta na

produção de espécies reativas do Oxigênio (Oxigênio singleto e radicais livres),

causando danos e morte celular (Simplício, Maionchi e Hioka, 2002). Os

fotossensibilizadores podem ser injetados por via endovenosa, administrados oralmente

ou localmente aplicados em tratamentos tópicos (Konopka e Goslinski, 2007). A

Terapia Fotodinâmica é proposta principalmente para o tratamento de câncer

(Simplício, Maionchi e Hioka, 2002; Brown, Brown e Walke, 2004), porém, sua

atividade antimicrobiana também foi comprovada (Wainwright, 1998; O’Riordan,

Akilov e Hasan, 2005; Jori, Fabris, Soncin e col, 2006). Neste último caso, representa

uma alternativa no tratamento de doenças infecciosas causadas por bactérias, vírus ou

fungos, que freqüentemente adquirem resistência aos fármacos tradicionalmente

empregados (Wainwright e Crossley, 2004).

Ao ser comparada às técnicas convencionais, a TFD oferece vantagens como

conforto ao paciente, por não ser invasiva, ter ação localizada, permitir a administração

de doses seguras da droga, efeitos colaterais reduzidos e baixo custo (Dougherty, 1996).

A simplicidade da técnica e suas vantagens fazem com que a Terapia Fotodinâmica seja

aprovada e utilizada como tratamento em países como Estados Unidos, União Européia,

Canadá, Rússia e Japão (Biel, 2002).

Apesar de ser uma opção de tratamento recente, há relatos do uso combinado da

ingestão oral de plantas ou extratos com posterior exposição à luz do sol para tratamento

de doenças de pele, como vitiligo e psoríase, com sucesso no Egito há 4000 anos

Page 110: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

109

(Simplício, Maionchi e Hioka, 2002). A terapia fotodinâmica no formato atualmente

reconhecido teve início em 1900 quando Oscar Raab, estudante de Medicina, observou

que a exposição de um corante, a acridina, à luz poderia ser letal a paramécios,

protozoários causadores da malária (Calin e Parasca, 2006). Sua primeira aplicação

clínica foi relatada em 1903, por Von Tappeiner e Jesionek. Eles aplicaram eosina,

topicamente, para o tratamento de carcinoma basocelular, antes de irradiarem as lesões.

Porém, apenas nos anos 70 a TFD foi reconhecida como tratamento para o câncer e, a

partir deste instante, surgiram várias drogas e aplicações possíveis para a técnica

(Triesscheijn, Baas, Schellens e col, 2006).

4.1.1 Mecanismos da terapia fotodinâmica

Para que ocorra a fotodestruição dos tecidos ou células alvo é necessário que

haja a excitação eletrônica do fotossensibilizador pela energia da luz empregada na

irradiação. Este processo leva o fotossensibilizador ao estado singleto. Na maioria dos

casos, um processo conhecido como cruzamento intersistemas leva o fotossensibilizador

ao estado tripleto, que tem maior duração do que o estado singleto (Calin e Parasca,

2006). Existem então duas possibilidades para o fotossensibilizador quando atinge o

estado tripleto: a geração de radicais livres extremamente reativos, ROS (mecanismo

tipo I) ou de oxigênio singleto (mecanismo tipo II) (Figura 46) (Triesscheijn, Baas,

Schellens e col, 2006).

No mecanismo do Tipo I, há transferência de elétron entre o fotossensibilizador

no estado tripleto excitado e o substrato ou moléculas do solvente, gerando radicais ou

íons que reagem com o oxigênio produzindo uma mistura de intermediários de oxigênio

altamente reativos (ROS). É o caso do radical superóxido (O2), peróxido de hidrogênio

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110

(H2O2) e do radical Hidroxila (OH), capaz de oxidar uma grande variedade de

biomoléculas. Substâncias de fácil oxidação (fenóis e aminas) ou redução (quinonas) em

meios apolares e anaeróbios favorecem o tipo I de Mecanismo. Fotossensibilizadores

que absorvem na região ultravioleta do espectro também favorecem o mesmo tipo de

mecanismo, pois os estados tripletos apresentam energias relativamente altas, o que

facilita a formação de radicais citotóxicos (DeRosa e Crutchley, 2002; Triesscheijn,

Baas, Schellens e col, 2006).

No mecanismo do tipo II, os estados tripletos excitados do fotossensibilizador

podem interagir com o estado fundamental do oxigênio (3O2) para produzir o oxigênio

singleto (1O2), altamente citotóxico (DeRosa e Crutchley, 2002; Triesscheijn, Baas,

Schellens e col, 2006).

Figura 46 – Mecanismos da terapia fotodinâmica (Adaptado de DeRosa e Crutchley, 2002).

Page 112: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

111

Como as reações de transferência de energia são mais rápidas do que as reações

de transferência de elétrons, o mecanismo tipo II é favorecido nas reações de foto-

oxidação (Ribeiro, Jorge, da Silva e col, 2007).

4.1.2 Oxigênio singleto

Os estados excitados de mais baixa energia do O2 são os estados excitados

singleto, 1Σg

+ e

1Δg, cujas energias eletrônicas são 158 e 95 kJ/mol maiores do que a do

estado fundamental tripleto (3Σ), respectivamente. A configuração eletrônica do

1Σg

+ é

semelhante à do estado fundamental, diferindo apenas pelo fato de seus dois últimos

elétrons apresentarem os spins organizados de maneira antiparalela, enquanto que no

estado fundamental, eles aparecem dispostos paralelamente. O outro estado singleto

excitado, 1Δg, é comumente chamado de oxigênio singleto (

1O2) e tem um tempo de

vida mais longo do que 1Σg

+ (DeRosa e Crutchley, 2002; Triesscheijn, Baas, Schellens e

col, 2006).

O oxigênio singleto tem participação fundamental na Terapia Fotodinâmica.

Esta participação se deve à sua rápida reação com estruturas celulares, causando por fim

a morte celular. Em água, o tempo de vida da espécie oxigênio singleto, 1O2, é de

aproximadamente 3 μs, enquanto que em solventes orgânicos esse tempo é de 4 a 50

vezes maior. Em contraste com esses resultados, o tempo de vida do 1O2 é

consideravelmente menor em sistemas biológicos, de 100 ns em regiões lipídicas das

membranas a 250 ns no citoplasma (DeRosa e Crutchley, 2002).

A alta reatividade do oxigênio singleto faz com que ele possa interagir com

quase todos os constituintes celulares. No caso de proteínas, seus principais alvos são os

aminoácidos como a cisteína, histidina, metionina, tirosina e o triptofano, sendo o

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112

último o de maior reatividade. Nos ácidos nucléicos, a reação principal se dá com a

guanina e, nos lipídios todas as ligações insaturadas podem ser foto-oxidadas. Lipídios e

proteínas são os principais componentes químicos das membranas biológicas, o que as

torna alvos da terapia fotodinâmica, ou seja, as reações químicas decorrentes da TFD

alteram a permeabilidade celular, provocando danos e posterior morte às celulas

(Davies, 2004; Ribeiro, Jorge, da Silva e col, 2007).

4.1.3 Fotossensibilizadores

Fotossensibilizadores são moléculas com capacidade de absorver luz numa

determinada região do espectro e transferir esta energia para outras moléculas.

Atualmente diversos compostos com características para aplicação em TFD estão sob

investigação, dentre os quais podem ser citados: porfirinas, clorinas, bacterioclorinas,

ftalocianinas, naftalocianinas, purpurinas (Boylet e Dolphin, 1996), aminoacridina

(Wainwright, 1998), indocianina verde (Chan, Lam, Lai e col, 2003), azul de metileno

(Tang, Xu, Kopelman e col, 2005), riboflavina (Martins, Combs, Noguera e col, 2008).

Porém, nem todas as substâncias têm aprovação para uso clínico. Em 2002, Simplício,

Maionchi e Hioka, citaram Photofrin

, Levulan

Kerastick e Visudyne

como os três

únicos medicamentos aprovados para uso em Terapia Fotodinâmica pela FDA, havendo

mais dois sob análise, o Foscan

e o MACE.

Tang, Xu, Kopelma e col (2005) enumeraram características importantes para

que um fotossensibilizador seja considerado ideal em seu emprego na terapia

fotodinâmica. São elas:

- Apresentar um alto coeficiente de absorção na região do espectro compatível com a

luz de excitação;

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113

- Estado tripleto com energia apropriada para permitir transferência de energia eficiente

para reduzir o oxigênio;

- Alto rendimento e meia vida longa no estado tripleto, visto que a eficiência do

fotossensibilizador depende das propriedades fotofísicas do mais baixo estado excitado

tripleto;

- Ser fotoestável, antes da sua aplicação terapêutica;

- Não possuir toxicidade no seu estado fundamental (não excitado).

Porém, a maioria dos fotossensibilizadores disponíveis não apresenta estas

características. Eles não mostram uma boa seletividade em relação ao tecido alvo,

afetando tecidos sadios; a liberação de oxigênio singleto é insuficiente, tornando

necessária a administração de doses elevadas da droga para se alcançar os efeitos

terapêuticos desejados; normalmente apresentam absorção na faixa de comprimento de

onda de 630 nm, ou seja, a penetração nos tecidos biológicos é relativamente baixa; e

observa-se um acúmulo destas substâncias na pele, impedindo a exposição à luz do

paciente submetido ao tratamento por aproximadamente 4 a 6 semanas após o

tratamento, podendo haver risco de danos à derme (Tang, Xu, Kopelma e col, 2005).

a) Riboflavina

A riboflavina é um composto orgânico que faz parte do complexo vitamínico B.

Também chamada de vitamina B2, é uma vitamina hidrossolúvel que pode ser

encontrada em alimentos de origem animal e vegetal, tais como leite, queijo, peixes,

carnes, ovos, cereais, algumas frutas e hortaliças de folhas verdes escuras e pode ser

excretada via urina quando ingerida em excesso. A presença do grupo flavina

(composto de aneis heterocíclicos) em sua molécula confere propriedades

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114

espectroscópicas características assim como uma coloração amarela forte, e

fluorescência, figura 47 (Powers, 2003).

Figura 47 – Estrutura da riboflavina, destacando a cadeia ribitil e o sistema de anéis isoaloxazina,

responsável pela característica de fluorescência da molécula. No detalhe, seu aspecto de pó de coloração

amarelo forte (Souza, Ferreira, Jucá e col, 2005).

A riboflavina é de fundamental importância em organismos aeróbios, sendo

precursora de coenzimas importantes que participam de cadeias transportadoras de

elétrons como a FAD e a FMN. Também é responsável pela origem de várias das

flavinas que se encontram ligadas a diversas enzimas que atuam na catálise de grande

número de reações, como é o caso das relacionadas a reparos do DNA (Edwards,

Bueno, Saldaño e col, 1999).

Estudos sobre as propriedades ópticas da riboflavina (Folkes e Wardman, 2003;

Meisel e Kocher, 2005; Baier, Maisch, Maier e col, 2006) mostram que sua molécula

tem a capacidade de absorver a luz alcançando o estado tripleto excitado. A riboflavina

no estado tripleto pode interagir com o Oxigênio molecular gerando o oxigênio singleto

ou agir diretamente sobre um substrato levando à fotoxidação deste e à conseqüente

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115

geração de radicais intermediários, além de espécies reativas de oxigênio, tais como o

superóxido, radical hidroxil e peróxido de hidrogênio (Souza, Ferreira, Jucá e col,

2005). Este comportamento, fez com que a riboflavina passasse a ser utilizada como

fotossensibilizador na técnica de Terapia Fotodinâmica (Folkes e Wardman, 2003;

Meisel e Kocher, 2005; Baier, Maisch, Maier e col, 2006). Meisel e Kocher (2005)

classificam a riboflavina como um potente fotossensibilizador e relatam sua indicação

como agente de descontaminação do sangue, plasma e concentrados celulares

armazenados para transfusões. Baier, Maisch, Maier e col (2006) classificaram a

riboflavina como um fotossensibilizador endógeno, por ser produto do próprio corpo

humano. Declararam que seu rendimento na produção de oxigênio singleto é de 0.54 +\-

0.07.

4.2 TERAPIA FOTODINÂMICA NO TRATAMENTO DE INFECÇÕES

LOCALIZADAS

As infecções localizadas geralmente são provocadas por bactérias e fungos e são

tratadas com drogas antimicrobianas. O contato freqüente com os antimicrobianos faz

com que cepas destes microorganismos se tornem cada vez mais resistentes aos

tratamentos convencionais (Coats, Hu, Bax e col, 2002; Smith, 2005). Este fato vem

despertando a necessidade do desenvolvimento e aplicação de terapias alternativas,

como o uso de compostos à base de prata, relatado no capítulo 1 (Quinn e Milder, 2002;

Catauro, Raucci, De Gaetano e col, 2004; Maisch, Szeimies, Jori e col, 2004; Kim, Kuk,

Kyeong e col, 2007), e também da terapia fotodinâmica, principalmente para combater

cepas mais virulentas (Wainwright, 1998; Minnock, Vernon, Schofiels e col, 2000;

O’Riordan, Akilov e Hasan, 2005; Jori, Fabris, Soncin e col, 2006). Na literatura, a

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116

terapia fotodinâmica já foi proposta como tratamento de várias infecções localizadas,

dentre elas estão infecções causadas por bactérias (Salmon-Divon, Nitzan e Malik,

2004), fungos (Donnelly, McCarron, Tunney e col, 2007), vírus (Wainwright, 2003) e

protozoários, como é o caso da leishmaniose (Sah, Ito, Kolli e col, 2002).

Soukos, Wilson, Burns e col (1996) se preocuparam com a sanidade dos tecidos

durante a utilização da Terapia Fotodinâmica no combate a doenças causadas por

microorganismos. Concluíram que a técnica era segura, havendo seletividade pelas

células microbianas, seletividade esta atribuída a diferenças farmacocinéticas

observadas entre as células de mamíferos e as bacterianas. Lavi, Weitman, Holmes e col

(2002) também reconheceram a especificidade da técnica em relação a bactérias,

responsabilizando por ela a curta vida do Oxigênio singleto e, consequentemente, a

limitação em sua área de atuação (100 nm). Calzavara-Pinton, Venturini e Sala (2005)

relatam características semelhantes para a interação entre a Terapia Fotodinâmica e

células de fungos.

Em bactérias, os danos causados pela Terapia Fotodinâmica podem

comprometer o ácido nucléico (Salmon-Divon, Nitzan e Malik, 2004), a membrana

citoplasmática (Schafer, Schmitz, Facius e col, 2000) ou ainda as duas estruturas ao

mesmo tempo (Bertoloni, Lauro, Cortella e col, 2000). Até mesmo nas bactérias Gram

negativas, mais resistentes por possuírem uma membrana dupla (a membrana

citoplasmática e outra membrana externa), vêm se mostrando sensíveis à Terapia

Fotodinâmica (Hamblin e Hasan, 2004). Neste caso, Minnock, Vernon, Schofield e col

(2000) e Hamblin, O’Donnell, Murthy e col (2002) atribuem o sucesso ao emprego de

fotossensibilizadores catiônicos.

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117

4.2.1 Terapia Fotodinâmica para tratamento de infecções localizadas em

Odontologia

Também em Odontologia, a Terapia Fotodinâmica foi proposta inicialmente

para o tratamento de lesões malignas de cabeça e pescoço, oferecendo várias vantagens

em relação aos tratamentos cirúrgicos, quimio e radioterápicos convencionais (Biel,

2002; Konopka e Goslinski, 2007). Porém, cada vez mais, a técnica vem sendo indicada

para tratar as diversas doenças infecciosas que acometem a cavidade oral (Bhat,

MacRobert, Meghji e col, 1998; Wood, Nattress, Kirkham e col, 1999; Wainwright e

Crossley, 2004; Wood, Metcalf, Devine e col, 2006; Donnelly, McCarron, Tunney e

col, 2007).

A cavidade oral normalmente é colonizada por uma grande variedade de

microorganismos, incluindo fungos (Candida albicans) e bactérias aeróbicas e

anaeróbias, de espécies Gram positivas e Gram negativas. Quando ocorre um

desequilíbrio, e algumas destas espécies prevalecem sobre outras, desenvolvem-se

patologias como a cárie, a doença periodontal ou candidíase (Newman, Takei e

Carranza, 2002). Uma das causas de desequilíbrio da flora oral é o uso de antibióticos

de largo espectro, por isto Kömerik e MacRobert (2006) recomendam a Terapia

Fotodinâmica como uma técnica que permite a ação antimicrobiana localizada, sem

comprometer a flora das outras regiões.

A periodontite é uma doença inflamatória que acomete os tecidos de suporte do

dente (gengiva, osso e ligamento periodontal) e é causada pelas bactérias que compõem

o biofilme da placa dental e se situam nas superfícies dos dentes, geralmente

subgengivalmente. Em conseqüência da doença aparecem as bolsas periodontais, pois

há uma perda de inserção das fibras que formam o ligamento periodontal, e também

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118

destruição óssea, ou seja, em estágios avançados a doença periodontal pode levar a

perda dos elementos dentários envolvidos. Apesar de poder ter conseqüências

irreparáveis, a doença periodontal é bastante comum e de difícil tratamento, pois pode

ser influenciada por diversos fatores, dentre eles a hereditariedade e hábitos de higiene.

Além disso, é uma patologia causada por diferentes tipos de bactérias que podem

responder de maneira diferente aos tratamentos propostos (Newman, Takei e Carranza,

2002).

O tratamento comumente aplicado para a periodontite é a remoção dos cálculos,

através da raspagem e alisamento das superfícies dentárias, e o uso de soluções

antimicrobianas para bochechos. Antibióticos de uso sistêmico também podem ser

utilizados, porém, a grande variedade de espécies que podem estar envolvidas na

patologia e a localização difusa podem causar resistência de algumas espécies ao

tratamento antimicrobiano. Por estas dificuldades, a terapia fotodinâmica vem ganhando

espaço como tratamento alternativo para esta doença (Bhat, MacRobert, Meghji e col,

1998; Wood, Nattress, Kirkham e col, 1999; Wainwright e Crossley, 2004; Meisel e

Kocher, 2005; Wood, Metcalf, Devine e col, 2006).

Três fotossensibilizadores diferentes (eritrosina, azul de metileno e porfirina)

foram testados por Wood, Metcalf, Devine e col (2006) que empregaram a TFD em

colônias de Streptoccocus mutans, bactéria encontrada em abundância no biofilme da

cavidade oral. Observaram que todas as três substâncias foram eficientes, apesar da

eritrosina apresentar a maior eficácia no combate às bactérias

A candidíase é uma patologia que freqüentemente compromete a orofaringe,

principalmente em crianças, idosos, usuários de próteses removíveis e pacientes

imunodeprimidos, a exemplo de HIV positivos. Caracteriza-se pela presença de placas

avermelhadas ou esbranquiçadas e é responsável por sensações de desconforto ao

Page 120: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

119

portador (Shafer, Hine, Levy e col, 1983). Na verdade, Candida albicans, o fungo

causador, faz parte da microbiota normal da orofaringe e vive em equilíbrio com outros

microrganismos e a doença manifesta-se quando algum fator facilita o crescimento dos

fungos. O tratamento normalmente consiste no uso de agentes antifúngicos ou

fungistáticos (Shafer, Hine, Levy e col, 1983; Donnelly, McCarron, Tunney e col,

2007).

Preocupados com o freqüente desenvolvimento de resistência por parte dos

pacientes tratados com as técnicas convencionais, Donnelly, McCarron, Tunney e col

(2007) propuseram a aplicação da terapia fotodinâmica com o azul de toluidina, agente

fotossensibilizante de eficácia comprovada, para o tratamento de infecções na

orofaringe causadas por Candida albicans. Os pesquisadores contaram ainda com as

técnicas de liberação controlada de fármacos para a liberação do fotossensibilizador a

partir de um patch polimérico com capacidade de aderir à mucosa, permitindo assim

uma ação localizada sem provocar manchas na boca ou dentes. Os “patches” contendo

50 e 100 mg de TBO foram colocados em condições semelhantes às da cavidade oral

com culturas de C. albicans e submetidos a irradiação com a luz. Ao final do

experimento, comprovou-se a eficácia do sistema quando a duração da utilização foi

curta, já em aplicações que simularam uso prolongado, notou-se uma queda na eficácia.

Garcez, Nuñez, Hamblin e col (2008) analisaram o efeito antimicrobiano da

TFD associado ao tratamento endodôntico e concluíram que esta combinação foi

eficiente na destruição de microorganismos que permanecem no interior dos canais

mesmo depois do tratamento endodôntico convencional, isto sem efeitos tóxicos aos

tecidos vizinhos sadios.

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120

4.3 NANOPARTÍCULAS METÁLICAS E TERAPIA FOTODINÂMICA

Para o bom desempenho da Terapia Fotodinâmica é fundamental que durante o

processo fotodinâmico o suprimento de oxigênio seja superior ao consumo. Este fato

representa umas das principais limitações da técnica atualmente (Dougherty, Gomer,

Henderson e col, 1998). Para compensar o déficit de oxigênio na região tratada, pode se

aumentar a população dos estados excitados tripletos dos fotossensibilizadores que têm

a propriedade de produzir o oxigênio singleto. Pois, tanto a produção de 1O2, quanto a

de radicais estão associados ao aumento de população no estado tripleto (T1) (Zhang,

Aslan, Previte e col, 2006; Zhang, Aslan, Malyn e col, 2006). Por isto, quando se deseja

melhorar o desempenho dos fotossensibilizadores, trabalha-se para aumentar seu

rendimento de oxigênio singleto, que fica em torno de 0.2 a 0.7, ou seja, 20 a 70% nos

fotossensibilizadores utilizados (Wainwright, 2009).

Ao observarem que a associação de moléculas fluorescentes a superfícies

metálicas não só causava a amplificação da fluorescência, pelo aumento da população

no estado singleto de menor energia (Lakowicz, Shen, Gryczynski e col, 2001; Geddes

e Lakowicz, 2002; Lakowicz, Shen, D'Auria e col, 2002; Malicka, Gryczynski e

Lakowicz, 2003; Aslan, Gryczynski, Malicka e col, 2005), Zhang, Aslan, Malyn e col

(2006) e Zhang, Aslan, Previte e col (2006) observaram que este fato poderia aumentar

a probabilidade de ocorrer o cruzamento intersistemas e a conseqüente produção de 1O2.

Por isto, associaram os fotossensibilizadores empregados em TFD a superfícies

metálicas. O aumento observado na fosforescência foi explicado pela transferência de

energia dos elétrons da superfície plasmônica de um filme de prata não contínuo para o

fotossensibilizador (fluoróforo) (Figura 48) (Zhang, Aslan, Malyn e col, 2006; Zhang,

Aslan, Previte e col, 2007).

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121

Figura 48 – Interpretação da intensificação da fosforescência na presença de metais (A) e da geração do

oxigênio singleto (B). P – fosforescência, RB – fotossensibilizador, 3O2 – Oxigênio no estado

fundamental tripleto e 1O2 – Oxigênio singleto (Adaptado de Zhang, Aslan, Previte e col, 2008).

A partir da avaliação da figura 49, que traz o diagrama de Jablonski modificado,

pode se compreender melhor o mecanismo desencadeado pela presença de moléculas de

fluoróforos nas proximidades de superfícies metálicas. O campo eletromagnético gerado

ao redor das partículas intensifica o processo de absorção no estado fundamental, de S0

para Sn, aumentando a taxa de excitação. A partir de Sn, há um relaxamento (não

radiativo) para o estado singleto de menor energia, S1. Como a presença das

nanopartículas metálicas aumenta a população de Sn, conseqüentemente, há um aumento

na população de S1 aumentando a probabilidade de ocorrência do cruzamento

intersistemas, conseqüentemente, intensificando a fosforescência. Como a produção de

oxigênio singleto está associada ao aumento do rendimento tripleto que também está

associada ao fenômeno de fosforescência, o fato de as superfícies metálicas

intensificarem a fosforescência, faz com que a presença delas em meios contendo

fotossensibilizadores também aumente a produção de oxigênio singleto (Zhang, Aslan,

Previte e col, 2007).

Transferência /

acoplamento de plasmons

Intensificação da absorção

(A) (B)

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122

.

Figura 49 – Esquema do Diagrama de Jablonski para a amplificação da produção de Oxigênio singleto

decorrente da associação entre um fotossensibilizador e os plasmons superficiais. MEF – Fluorescência

amplificada pela presença das nanopartículas metálicas. MEP – Fosforescência amplificada pela presença

das nanopartículas metálicas. 3O2, Oxigênio no estado tripleto e

1O2, Oxigênio singleto; isc – cruzamento

intersistemas (Adaptado de Zhang, Aslan, Previte e col, 2007).

4. 4 METODOLOGIA

O sistema de Terapia Fotodinâmica empregado nesta tese avaliou a presença de

nanopartículas de prata com e sem pectina com a riboflavina. A utilização das

nanopartículas de prata teve como objetivo a intensificação da produção de Oxigênio

singleto. Foi empregada a riboflavina da Sigma-Aldrich, numa concentração de 35 µM,

tanto em água, quanto nas suspensões de nanopartículas de prata.

Para se comparar a produção de oxigênio singleto pelos sistemas Riboflavina em

água (RbH2O), Riboflavina em nanopartículas de prata com pectina (RbNpAgPEC) e

Riboflavina em nanopartículas de prata sem pectina (RbNpAg) foi empregado o sensor

Sn

S1

S0

kisc

T1

Sn

S1

S0

kisc

T1

Fluorescência

Clássica Fosforescência

Clássica

Ressonância

de plasmons

NpAg

Ressonância

de plasmons

NpAg

Transferência

aos Plasmons

3O2

1O2

Geração de

Oxigênio Singlete

Abso

rção

acen

tuad

a

MEF

MEP

Transferência

aos Plasmons

o

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123

verde para oxigênio singleto (GR), da Molecular Probes (Figura 50 (A)). Trata-se de um

sensor altamente seletivo para o oxigênio singleto, capaz inclusive de quantificar sua

produção. Na presença do oxigênio singleto, o GR emite uma fluorescência com

excitação e emissão em torno de 504 nm e 525 nm, respectivamente, figura 50 (B)

(Molecular probes, 2004; Flors, Fryer, Waring e col, 2006).

Figura 50 – Em (A), aspecto do GR. Em (B), propriedades espectrais do GR, antes e depois da interação

com 1O2. Absorção, em a e c, e emissão, em b e d. Sendo que a e b, correspondem às medidas feitas antes

da produção do oxigênio singleto. c e d, depois. As medidas da emissão foram obtidas com comprimento

de onda de excitação em 480 nm (Flors, Fryer, Waring e col, 2006).

O sensor foi inicialmente preparado em uma solução de estoque em metanol de

aproximadamente 5 mM, segundo orientações do fabricante. Porém, para ser utilizada

juntamente com a Riboflavina, a solução de estoque do sensor de oxigênio singleto foi

diluída em água até se obter uma solução de 157 µM, mantendo a mesma relação entre

as concentrações de fotossensibilizador e do GR utilizadas por Zhang, Aslan, Michael e

col (2008).

Para a irradiação das soluções e conseqüente geração do Oxigênio singleto

foram empregados LEDs operando no comprimento de onda de 415 nm, com uma

potência total de 31 mW. O tempo de irradiação utilizado foi de 2 minutos. O

comprimento de onda de 415 nm foi escolhido para irradiar o fotossensibilizador

Ab

sorb

ânci

a

Inten

sidad

e (rel)

Comprimento de onda (nm)

(A) (B)

Page 125: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

124

(Riboflavina) por estar na faixa do espectro correspondente à lâmpada de luz halógena

presente nos equipamentos utilizados em consultórios odontológicos para a cura de

materiais compósitos empregados em restaurações dentárias. Além disso, o

comprimento de onda de 415 nm coincide com a região do espectro referente à banda de

plasmon das partículas de prata sintetizadas para este experimento.

4. 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Para avaliar o comportamento óptico da molécula de riboflavina quando

associada às partículas de prata, foi obtido inicialmente o espectro de absorção no UV-

visível, exibido na curva em vermelho da figura 51. Sua análise permitiu a identificação

de três máximos: o primeiro localizado em 266 nm, o segundo em 373 e o terceiro em

445 nm. Ainda na figura 50, porém analisando a curva em preto, observa-se a banda de

palsmons das nanopartículas de prata revestidas por pectina com seu máximo em torno

de 412 nm, ou seja, na mesma região do espectro onde se observaram dois máximos da

molécula da riboflavina. Comparando-se a curva referente à absorbância da riboflavina

em água (em vermelho) à das nanopartículas de prata revestidas com pectina,

comprova-se a sobreposição espectral observada na região do espectro que corresponde

aos máximos da riboflavina, referentes aos comprimentos de onda de 373 e 445 nm, e à

banda de plasmons das nanopartículas de prata revestidas com pectina.

Page 126: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

125

Figura 51 – Espectro de absorção no UV-Vis, em preto, das nanopartículas de prata revestidas com

pectina; em vermelho, espectro de absorção no UV-visível da Riboflavina em água e, em azul, da

riboflavina em meio contendo nanopartículas de prata revestidas com pectina. Foi utilizada uma cubeta de

quartzo de 1 mm.

A partir da análise dos gráficos de emissão presentes na figura 52, observou-se o

aumento na intensidade da emissão quando a riboflavina esteve no meio contendo as

nanopartículas de prata recobertas com a camada de pectina. Alguns trabalhos da

literatura (Aslan, Lakowicz, Szmacinski e col, 2004; Aslan, Gryczynski, Malicka e col,

2005; Aslan, Lakowicz e Gededs, 2005; Lakowicz, Chowdhury, Ray e col, 2006;

Zhang, Aslan, Previte e col, 2006; Aslan, Wu, Lakowicz e col, 2007; Zhang, Aslan,

Previte e col, 2007) também relatam o aumento da intensidade da emissão de

fluoróforos, quando na presença de nanopartículas de prata, porém as partículas

utilizadas (nanopartículas de prata depositadas em filmes finos ou revestidas com sílica)

são diferentes das empregadas nesta tese.

Os comprimentos de onda de excitação empregados na realização das medidas

de emissão da figura 52 foram selecionados em função dos máximos de absorbância da

riboflavina (267 nm, 375 nm e 445 nm). Ainda em relação à figura 52, as curvas em

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Ab

so

rbâ

ncia

Comprimento de onda (nm)

AgPec

RbH2O

RbAgPec266 nm

412 nm

373 nm 445 nm

Page 127: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

126

preto referem-se à ausência de emissão das nanopartículas de prata revestidas por

pectina, em vermelho, à emissão da riboflavina em água e, em azul, à emissão da

riboflavina juntamente com as nanopartículas de prata revestidas com pectina.

Figura 52 – Espectros de emissão. Curva em preto, nanopartículas de prata revestidas com pectina

(ausência de emissão), em vermelho, riboflavina em água e, em azul, riboflavina em meio contendo

nanopartículas de prata revestidas com pectina. λ de excitação: 267 nm (esquerda), 375 nm (direita) e 444

nm (abaixo). (Estas curvas foram obtidas com o equipamento Varian (Palo Alto, CA, USA) Cary Eclipse

Fluorescence Spectrophotometer).

Também foi importante o comportamento da emissão da riboflavina em

presença das nanopartículas de prata excitando com os comprimentos de onda aplicados

para excitar o sensor (502 nm) e para ativar o sistema de LEDs empregado na irradiação

do sistema (415 nm) (Figura 53). A avaliação das curvas presentes na figura 53 permitiu

460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Inte

nsid

ad

e (

u.a

.)

Comprimento de onda (nm)

Agpec

RibH2O

RibAgpec

λ excitação – 267 nm

460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Inte

nsid

ad

e

Comprimento de onda (nm)

Agpec

RbH2O

RbAgpec

λ excitação – 375 nm

460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Inte

nsid

ad

e (

u. a

.)

Comprimento de onda (nm)

Agpec

RibH2O

RibAgpec

λ excitação – 444 nm

Comprimento de onda (nm)

Comprimento de onda (nm)

Comprimento de onda (nm)

Page 128: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

127

a comprovação da interferência do campo gerado pelo plasmon das nanopartículas

metálicas no aumento da fluorescência do composto luminescente, a riboflavina, além

de confirmar a importância do revestimento de pectina nas partículas para o fenômeno

estudado. A amplificação da emissão para as amostras de riboflavina com

nanopartículas de prata revestidas com pectina foi de 1.7, enquanto que para as amostras

de riboflavina com nanopartículas sem pectina foi de 1.3. Comparando os gráficos da

figura 53, observa-se que ao se excitar as amostras em 502 nm, a interferência das

nanopartículas de prata diminui (Figura 53), pois este comprimento de onda está na

região do espectro onde a absorbância das nanopartículas de prata já não é tão evidente.

Figura 53 – Espectros de emissão. Curva em preto, riboflavina em água; em vermelho, riboflavina em

meio contendo nanopartículas de prata sem revestimento de pectina; e, em azul, riboflavina em meio

contendo nanopartículas de prata revestidas com pectina. λ de excitação: 415 nm (direita) e 502 nm

(esquerda). (Estas curvas foram obtidas com o espectrofluorímetro contador de fótons modelo ISS PC1).

Partindo do princípio proposto por Zhang, Aslan, Malyn e col (2006) e Zhang,

Aslan, Previte e col (2006) que diz que a amplificação da emissão também pode causar

o aumento do rendimento do estado tripleto e conseqüente produção do oxigênio

singleto, a próxima etapa desta tese tratou da medição da produção do oxigênio singleto.

Nesta etapa foi empregado o GR. Como o máximo de absorbância do GR está em torno

460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

1000000

1100000

1200000

1300000

Y A

xis

Title

Comprimento de onda (nm)

RbH2O

RbAgPec

λ excitação – 502 nm λ excitação – 415 nm

450 500 550 600 650 700

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

1000000

1100000

1200000

1300000

Inte

nsid

ad

e (

u. a

.)

Comprimento de onda (nm)

RbH2O

RbAg

RbAgPec

Comprimento de onda (nm)

Comprimento de onda (nm)

Inte

nsid

ade (

u.a

.)

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128

de 502 nm e esta região do espectro coincide com a região onde as absorbâncias da

riboflavina e das nanopartículas de prata já não são tão evidentes, este foi o

comprimento de onda de excitação selecionado para ser utilizado nas medidas da

liberação do oxigênio singleto. Esta foi a forma encontrada para se garantir que as

curvas obtidas seriam decorrentes da fluorescência do sensor que foi amplificada na

presença do oxigênio singleto, sofrendo o mínimo possível de interferência da emissão

da riboflavina e da ação das nanopartículas de prata.

A comprovação da presença de oxigênio singleto foi obtida a partir da

comparação entre os gráficos presentes na figura 54. O gráfico representado na figura

54 (A) traz as curvas referentes às emissões dos sistemas RbH2O, RbNpAgPEC e

RbNpAg antes da irradiação com o sistema de LEDs, indutor da produção de oxigênio

singleto. Depois de 2 minutos de irradiação das amostras com os LEDs no comprimento

de onda de 415 nm, foram obtidas as medidas presentes no gráfico da figura 54 (B) que

exibe curvas de maior intensidade decorrentes do aumento da emissão do sensor,

indicativo da presença de oxigênio singleto. Estes resultados foram atribuídos ao

aumento do rendimento dos estados excitados tripletos da Riboflavina.

Observou-se o aumento na produção de oxigênio singleto para o sistema que

introduz a Riboflavina no meio onde estão presentes as nanopartículas de prata cobertas

com pectina. Quando a riboflavina está em um meio no qual estão presentes as

nanopartículas que têm suas superfícies metálicas expostas ao meio, a emissão do

sensor para oxigênio singleto mostrou-se semelhante à do meio que não contém

nanopartículas de prata. O revestimento polimérico interferiu na distância entre as

moléculas de riboflavina e o núcleo metálico das partículas presentes no sistema

coloidal. Ainda analisando o gráfico da figura 54 (A), observa-se que as nanopartículas

de prata com pectina amplificaram a intensidade da fluorescência do GR.

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129

Figura 54 – Espectros de emissão do sensor para oxigênio singleto. Em (A), antes da irradiação com o

sistema de LEDs indutor de produção de oxigênio singleto. Em (B), depois de 2 minutos de irradiação das

amostras. Comprimento de onda de excitação foi de 502 nm.

A quantificação do oxigênio singleto produzido foi obtida a partir de cálculo das

áreas sob as curvas presentes na figura 55, de acordo com Zhang et al, 2008. As áreas

sob as curvas foram calculadas com o auxílio do software Origin, versão 8.0. Foram

realizadas várias medidas para comprovar a reprodutibilidade da pesquisa e o valor

apresentado trata-se de uma média entre estes resultados.

A amplificação da produção de oxigênio singleto em presença das superficies

metálicas (1O2,MEO) é dada por:

dRbdRbGRGR

dNpRbdNpRbGRO

depoisdepoisMEF

depoisdepois

MEO)(),(

),(),,(,2

1. (6)

Onde dNpRbGR depois),,( e dRbGR depois),( são os espectros integrados do sensor

GR na solução de riboflavina, com e sem nanopartículas, depois da excitação com 415

520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

1000000

1100000

1200000

Inte

nsid

ad

e

Comprimento de onda (nm)

RbH2O_GR

RbAg_GR

RbAgPec_GR

520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

1000000

1100000

1200000

Inte

nsid

ad

e (

u.a

.)

Comprimento de onda (nm)

RbH2O_GR

RbAg_GR

RbAgPec_GR

(A) (B)

Comprimento de onda (nm)

Comprimento de onda (nm)

Inte

nsid

ade (

u.a

.)

Page 131: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

130

nm. A contribuição da fluorescência oriunda da solução de riboflavina, com e sem

nanopartículas, dNpRb depois),( e dRb depois)( , depois da exposição à luz azul foram

subtraídas. A fluorescência do GR também pode ser afetada pela interação entre o

sensor GR e as nanopartículas por conta do fenômeno de amplificação da fluorescência

em presença de nanopartículas metálicas (Geddes e Lakowicz, 2002). Esta contribuição,

GRMEF, na determinação da amplificação da produção de 1O2 em presença de

superfícies metálicas é dada por:

dGR

dNpGRGRMEF

)(

),(. (7)

Onde dNpGR depois),( e dGR depois)( são a integração dos espectros do GR em

solução aquosa, com e sem as nanopartículas.

Page 132: SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS PARA … · formado pela CB e nanopartículas de prata, em azul, à banda de plasmons referente às nanopartículas de prata (diferença entre

131

Figura 55 – Espectros de emissão utilizados para quantificar a produção de oxigênio singleto. Em (A):

curva em preto, emissão do GR em água, sem nanopartículas de prata e sem riboflavina; em vermelho,

emissão do GR em nanopartículas de prata com pectina e sem riboflavina. Em (B): curva em preto,

emissão do GR e riboflavina em água, depois da irradiação com LEDs; em vermelho, emissão do GR e

riboflavina em nanopartículas de prata, depois da irradiação com LEDs. Em (C): curva em preto, emissão

da riboflavina em água; em vermelho, emissão da riboflavina em nanopartículas de prata com pectina; λ

excitação = 502 nm.

A partir deste experimento, foi possível dobrar a capacidade de a riboflavina

produzir o oxigênio singleto, com a presença das nanopartículas de prata envolvidas

com pectina passou para 1,8 +/- 0.2. Foi a primeira vez que o aumento da produção de

oxigênio singleto foi quantificado em meio aquoso. Em 2008, Zhang, Aslan, Previte e

col publicaram um aumento de produção maior do que o apresentado nesta tese, porém

não quantificaram exatamente o valor obtido, além de que, seus trabalhos foram

520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

1000000

1100000

1200000

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.)

Comprimento de onda (nm)

GR RBH2O_UV

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520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

1000000

1100000

1200000

Inte

nsid

ad

e (

u. a

.)

Comprimento de onda (nm)

GR H2O

GR AgPec

520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

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1200000

Inte

nsid

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u. a

.)

Comprimento de onda (nm)

RbH2O

RbAgPec

(A) (B)

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.)

Comprimento de onda (nm) Comprimento de onda (nm)

Comprimento de onda (nm)

Inte

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u.a

.)

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132

realizados em filmes finos depositados em substrato de vidro, condição não viável para

a terapia fotodinâmica (Figura 56).

Figura 56 – Fator de amplificação da produção de oxigênio singleto para vários fotossensibilizadores. 1,

acridina; 2, RB; 3, cloroquina; 4, indometacina; 5, riboflavina; 6, naproxen; 7, cloropromazina; 8,

quinidina. (Adaptado de Zhang, Aslan, Previte e col, 2008).

Além do aumento na produção de oxigênio singleto a partir de um sistema

aquoso, houve a preocupação de se trabalhar com substâncias que não fossem tóxicas ao

organismo humano.

Rendimentos quânticos para oxigênio singlete

Fat

or

de

inte

nsi

fica

ção

da

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Riboflavina

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133

CONCLUSÕES

Com realização da fase laboratorial e estudo bibliográfico deste trabalho

conclui-se que:

1) As diferentes técnicas de síntese empregadas permitiram a preparação de

nanopartículas de prata com e sem recobrimento polimérico. Os polímeros

utilizados foram a Pectina e a Jeffamina.

2) A pectina foi eficiente como recobrimento das partículas sintetizadas, e além de

impedir a aglomeração das partículas, contribui para a compatibilidade biológica

do material, já que faz parte da alimentação humana diária.

3) A utilização da Jeffamina permite a síntese de nanopartículas de prata estáveis e

funcionalizadas com grupamentos amina, facilitando, posteriormente, a ligação

de moléculas e outras estruturas às nanopartículas.

4) Nos compósitos nanohíbridos à base de celulose bacteriana impregnada com

nanopartículas de prata, utilizando-se Citrato de sódio como agente redutor, os

poros da membrana tiveram ação comprovada no controle do tamanho das

nanopartículas de prata.

5) Houve diferença de comportamento óptico entre nanopartículas de prata

sintetizadas por técnicas diferentes quando estas partículas foram introduzidas

em meio contendo fluoróforos (triptofano, rodamina 6G, pontos quânticos de

CdTe/CdS e riboflavina).

6) A presença da pectina no revestimento das nanopartículas de prata possibilitou

melhor amplificação da emissão quando estas partículas foram introduzidas em

meio líquido contendo fluoróforos (triptofano, rodamina 6G, pontos quânticos

de CdTe/CdS e riboflavina).

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134

7) As nanopartículas de prata envolvidas pela pectina, quando introduzidas em

meio contendo riboflavina, também se mostraram mais eficientes em relação à

produção de oxigênio singleto quando comparado à riboflavina em água e à

riboflavina em nanopartículas de prata sem revestimento polimérico.

8) Aumentou-se em 1.8 a produção do oxigênio singleto ao se introduzir as

nanopartículas com revestimento de pectina a um meio contendo riboflavina.

9) Pela primeira vez, a amplificação da produção de oxigênio singleto foi

quantifica em um meio líquido e utilizando-se um sistema biologicamente

compatível (pectina e riboflavina), trabalhando-se em uma condição próxima do

ideal para a Terapia Fotodinâmica.

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135

PERSPECTIVAS

Os resultados oriundos dos trabalhos desenvolvidos para esta tese chamam

atenção à importância da continuidade da pesquisa e para a aplicação clínica segura dos

materiais desenvolvidos. Estes estudos serão realizados durante o pós-doutorado da

aluna e incluem:

a) Testes da atividade antimicrobiana dos compósitos à base da celulose

bacteriana impregnada por nanopartículas de prata em bactérias pertencentes à flora da

cavidade oral.

b) Avaliação dos sistemas de Terapia fotodinâmica propostos na tese em

microorganismos e células tumorais.

c) Testes de toxicidade e mutagenicidade para o sistema proposto pela tese, para

garantir biocompatibilidade e aplicação segura dos materiais desenvolvidos.

d) Utilização da celulose bacteriana não só como veículo para a PDT em

tratamentos tópicos, auxiliando no combate das doenças tumorais, mas também na

cicatrização de feridas presentes na região tratada.

e) Estudos da interação das nanopartículas com outros fotossensibilizadores.

f) Melhora da distribuição de tamanho das partículas funcionalizadas com a

Jeffamina.

g) Ligação de moléculas fluorescentes à superfície das nanopartículas envolvidas

por polímero.

h) Síntese de nanopartículas com revestimento polimérico de diferentes

espessuras, para garantir a distância ideal entre a molécula fluorescente e o núcleo

metálico.

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