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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

ELIDIO ANGIOLETTO

DESENVOLVIMENTO DE PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE CERÂMICAS COM PROPRIEDADES ANTIMICROBIANAS

Florianópolis 2003

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DESENVOLVIMENTO DE PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE CERÂMICAS COM PROPRIEDADES ANTIMICROBIANAS

ELIDIO ANGIOLETTO

ESTA TESE FOI JULGADA PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE DOUTOR EM

CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS ESPECIALIDADE CIÊNCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAIS E APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E ENGENHARIA DE MATERIAIS

___________________________________________

Prof. Dr. Ing. Humberto Gracher Riella – Orientador ____________________________________________

Prof. Dr. Artur Smânia Jr. (UFSC) – Coorientador

___________________________________________ Prof. Dr. Alexandre Lago – Coordenador do Programa

BANCA EXAMINADORA ____________________________________________

Prof. Dr. Marcos Marques da Silva Paula (UNESC) ____________________________________________

Prof. Ph. D. José Roberto Martinelli (IPEN - USP) ____________________________________________

Prof. Ph. D. Fernando Soares Lameiras (CDTN - UFMG) ____________________________________________

Prof. Ph.D. Nivaldo Cabral Kuhnen (UFSC) ____________________________________________

Prof. Ph. D. João Cardoso de Lima (UFSC)

iii

Ao meu filho Everton, pela ajuda,

companheirismo, compreensão e

amizade.

iv

AGRADECIMENTOS

Agradeço:

Ao meu orientador Prof. Humberto Gracher Riella, pelo efetivo e permanente

acompanhamento do trabalho. Pela dedicação, por acreditar que as pessoas podem

responder positivamente e, sobretudo, pelos laços de amizade que a execução deste

trabalho trouxe.

Ao amigo e coorientador Prof. Artur Smânia Jr., pela dedicação, confiança e

paciência em iniciar-me nos estudos de microbiologia, bem como, por disponibilizar o

Laboratório de Antibióticos para que o trabalho fosse realizado e pelas longas

discussões dos resultados obtidos.

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq pelo

apoio financeiro.

Ao Laboratório de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina –

LABMAT – sob a coordenação do Prof. Aloísio Nelmo Klein, por oportunizar que

trabalhasse e crescesse profissionalmente naquele laboratório, e por todas as análises

e equipamentos utilizados.

À UNESC - Universidade do Extremo Sul Catarinense no Departamento de

Engenharia de Materiais sob a coordenação do amigo Prof. Marcos Marques da Silva

Paula, por disponibilizar instalações e equipamentos, bem como, ajuda nas correções

e pelas discussões deste trabalho.

À Empresa Vidres do Brasil, na pessoa do Eng. Manuel Messias Rodrigues, pelo

apoio em diversas etapas durante a execução deste trabalho.

Ao Prof. Michael Peterson pelas análises realizadas.

Ao Prof. Jorge Sarkis do IPEN pelas análises realizadas.

Ao Prof. Adilson Oliveira da Silva pelas discussões, troca de idéias e as fortes

opiniões colocadas.

Aos Professores Elza Smânia, Claison , pelas discussões e ajuda na área de

microbiologia.

Aos alunos bolsistas do Laboratório de Antibióticos Ricardo, Nelson e Cíntia,

v

pela ajuda na microbiologia.

Aos colegas Cristina, Marilena, Claudia Lira, Eiji, Rubens, Eduardo, Lisiane,

Luciana , Viviane .

Aos bolsistas do Laboratório de Materiais Henrique, Pablo, Rodrigo, Priscila.

Aos bolsistas do Laboratório de corrosão Anderson e Juliane.

Aos funcionários Paulo, Rosangela e Tatiane.

Ao Gilson pelo incentivo, amizade e confiança.

Aos meus pais Ildo e Lourdes e irmãos Erildo e Elcio pelo direcionamento nos

primeiros anos de minha vida, e pelo constante incentivo e apoio.

À Marisa, pelo incentivo em me fazer aceitar os desafios, pelo apoio, pelo

convívio e hoje pela amizade.

vi

ÍNDICE

1.0 INTRODUÇÃO ................................................................................................1

1.1 OBJETIVOS.............................................................................................................................................3

1.1.1 OBJETIVO GERAL...........................................................................................................................3

1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................................................3

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................5

2.1 ÍONS METÁLICOS PARA USO BACTERICIDA .............................................................................5

2.1.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................................5

2.2 MECANISMOS DE ATUAÇÃO DE ÍONS METÁLICOS SOBRE AS BACTÉRIAS ....................8

2.2.1 PADRÃO DE MORTE EM UMA POPULAÇÃO MICROBIANA..................................................9

2.3 TROCA IÔNICA....................................................................................................................................17

2.3.1 GENERALIDADES.........................................................................................................................17

2.3.2 – PERFÍS DE CONCENTRAÇÃO E DIFUSÃO ............................................................................18

2.3.3 – AMBIENTE ATÔMICO FORMADO PELO VIDRO E A PRATA ...........................................27

2.3.4- A PRATA NO AMBIENTE DO VIDRO APÓS A TROCA DOS ÍONS Ag+ / Na+ ....................28

3. MATERIAIS E MÉTODOS...............................................................................30

3.1- DESENVOLVIMENTO DE VIDRO TROCADOR DE ÍONS .........................................................30

3.1.1 – OTIMIZAÇÃO DO TEOR DE SÓDIO NO VIDRO ....................................................................32

3.1.2 - ESTUDO DA DIFUSÃO DO ÍON PRATA NO VIDRO ..............................................................33

3.2 - DESENVOLVIMENTO DO ESMALTE CERÂMICO ...................................................................34

3.2.1 - DILATOMETRIA..........................................................................................................................35

3.2.2 - RESISTÊNCIA AO ATAQUE QUÍMICO DO VIDRO................................................................35

3.2.3 - RESISTÊNCIA AO ATAQUE QUÍMICO DAS PLACAS CERÂMICAS ESMALTADAS.......36

3.2.4 – ESPECTROSCOPIA DE FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X (FRX)..........................................36

3.2.5 - DIFRAÇÃO DE RAIOS X (DRX) .............................................................................................36

3.2.6 - MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) ......................................................36

3.2.7 MICROANÁLISE POR ENERGIA DISPERSIVA.........................................................................37

vii

3.2.8 - CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA...............................................................37

3.2.9 - DENSIDADE.................................................................................................................................37

3.2.10 – SISTEMA ICP-MS (Espectrômetro de Massa com Fonte Geradora de Plasma) .......................37

3.3 – DESENVOLVIMENTO DA SOLUÇÃO TROCADORA DE ÍONS..............................................38

3.3.1 - OTIMIZAÇÃO DA QUANTIDADE DE PRATA ........................................................................38

3.4- DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE EFICIÊNCIA

ANTIMICROBIANA.................................................................................................................................................39

3.4.1 - PROVA DE BAUER E COLABORADORES MODIFICADO....................................................40

3.4.2 PROVA DE SENSIBILIDADE POR DILUIÇÃO EM CALDO.....................................................42

3.4.3 - CONTAGEM DE CÉLULAS VIÁVEIS CONTRA O TEMPO....................................................43

3.5 – DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE PERDA DE EFICIÊNCIA

COM ATAQUE QUÍMICO ......................................................................................................................................44

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................45

4.1- DESENVOLVIMENTO DE UM VIDRO COM CAPACIDADE DE TROCA IÔNICA...............45

4.1.1-OTIMIZAÇÃO DO TEOR DE SÓDIO NO VIDRO.......................................................................47

4.1.2 - ESTUDO DA DIFUSÃO DO ÍON PRATA NO VIDRO ..............................................................50

4.2.1 – RESISTÊNCIA AO ATAQUE QUÍMICO DAS PLACAS CERÂMICAS ESMALTADAS ......61

4.2.2 – CARACTERIZAÇÃO DOS VIDROS E DO ESMALTE POR DIFRAÇÃO DE RAIOS X

(DRX)......................................................................................................................................................................62

4.2.3 – CARACTERIZAÇÃO DO ESMALTE UTILIZANDO MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE

VARREDURA (MEV)............................................................................................................................................64

4.2.4 CARACTERIZAÇÃO DO ESMALTE UTILIZANDO MICROANÁLISE POR ENERGIA

DISPERSIVA ..........................................................................................................................................................65

4.3 - ANÁLISE MICROBIANA..................................................................................................................67

4.3.1 ANÁLISE MICROBIANA POR CONTAGEM DE CÉLULAS VIÁVEIS ...................................67

4.4 – PERDA DE EFICIÊNCIA COM ATAQUE QUÍMICO .................................................................70

4.5 – ASPECTO INÉDITO DO TRABALHO ...........................................................................................72

5. CONCLUSÕES ...............................................................................................74

6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS..............................................76

viii

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............................................................77

APÊNDICES........................................................................................................83

ix

LISTA DE SÍMBOLOS

1. N: concentração de organismos viáveis em um determinado tempo.

2. No: concentração de organismos viáveis inicial

3. t: tempo.

4. to: tempo inicial.

5. C: concentração do íon que está se difundindo.

6. k: taxa de primeira ordem do decaimento no tempo zero.

7. a: coeficiente da taxa do decaimento.

8. M2+: representação de um íon metálico genérico.

9. M: representação genérica átomo metálico.

10. Eb: energia de ligação eletrostática.

11. e: constante de alta frequência dielétrica.

12. rM-O: distância álcali-oxigênio.

13. ε: energia de interação

14. ε0: energia de interação inicial

15. ν: freqüências atemporais.

16. Co: concentração na superfície do íon difundido.

17. X: distancia percorrida pelo íon durante a difusão.

18. Q: energia de ativação.

19. R: concentração relativa.

20. θ: ângulo entre o plano atômico e os feixes incidentes e difratados, em graus.

21. λ: comprimento de onda do feixe de raios X, em ηm.

22. NBO: oxigênio não-ponte.

23. CFU: unidades formadoras de colônias.

x

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - Representação diagramática da relação entre a concentração de íons

metálicos essenciais ou não-essenciais e o efeito microbiológico (Gadd, 1992). .....9

FIGURA 2 - Representação diagramática da atuação de um agente antimicrobiano

versus o tempo........................................................................................................10

FIGURA 3 - Desenho esquemático de uma célula procariótica (bacteriana) (Pelkzar Jr.

et all., 1998). ...........................................................................................................11

FIGURA 4 - Capacidade bacterial e mecanismos de tolerância para metais pesados

(Valls, 2002). ...........................................................................................................13

FIGURA 5 - Diagrama representativo dos mecanismos que a bactéria utiliza para

enfrentar concentrações tóxicas de metais pesados (Valls,2002). .........................14

FIGURA 6 - Representação esquemática das diferenças entre a estrutura fina da

parede celular de bactérias Gram-positivas (bacillus sp) e um pouco mais espessas

das bactérias Gram-negativas (Pelkzar Jr. et all., 1998).........................................15

FIGURA 7 - Desenho esquemático da reação entre o íon metálico e a cadeia sulfidrila

presentes em enzimas. ...........................................................................................16

FIGURA 8 - Distribuição dos elementos no vidro antes da troca iônica. a) em direção

paralela à superfície; b) em direção perpendicular à superfície ( Ahmed et all.,

1997). ......................................................................................................................19

FIGURA 9 - Distribuição de elementos no vidro após a troca iônica na direção

perpendicular à superfície ( Ahmed et all., 1997)....................................................20

FIGURA 10 - Perfil de concentração da prata para diversos tempos de tratamento (

Ahmed et all. 1997). ................................................................................................21

FIGURA 11 - perfil de concentração da prata no substrato de vidro em função da

temperatura mantendo tempo constante ( Ahmed et all., 1997). ...........................23

FIGURA 12 - Desenho esquemático em que está representado a substituição do íon

sódio pelo íon Ag. (a) vidro de rede modificada (vidro sódico). (b)vidro de alumina-

sílica. .......................................................................................................................25

FIGURA 13 - Dependência do logaritmo do coeficiente de interdifusão da prata em

temperatura de aquecimento para troca em vidros a 300 °C por 1 h......................26

xi

FIGURA 14 - Fluxograma da produção de cerâmicas antimicrobianas pelo processo de

troca iônica..............................................................................................................31

FIGURA 15 - Esquema seqüencial da prova de Bauer e colaboradores modificado.

(Koneman et al, 1993).............................................................................................41

FIGURA 16 - Esquema das prova de sensibilidade por diluição em caldo. A

concentração inibitória mínima mostrada aqui é de 1,234mg. ................................42

FIGURA 17 - Teste microbiológico do vidro produzido em laboratório e submetido a

troca iônica a 430 °C, por duas horas, frente a bactéria Staphylococcus aureus. A)

Sem óxido de sódio. B) com 15,0% de óxido de sódio. .........................................46

FIGURA 18 - Teste microbiológico do vidro produzido em laboratório, com 15,0% em

óxido de sódio, com troca iônica a 430 °C por duas horas , ante a presença da

bactéria Escherichia coli..........................................................................................46

FIGURA 19 - Teste microbiológico de difusão em ágar do pó de vidro produzido em

laboratório, com 10,0% (A) e 15% (B) em sódio, com troca iônica a 430 °C, frente a

bactéria Escherichia coli..........................................................................................48

FIGURA 20 - Efeito bactericida relativo, com a variação do teor de óxido de sódio

presente no vidro. ...................................................................................................49

FIGURA 21 - Teor de prata encontrado no vidro utilizando EDAX e ICP-MS ................50

FIGURA 22 - Perfil de concentração das amostras submetidas à troca iônica a 430 °C

por duas horas sem tratamento térmico..................................................................52

FIGURA 23 - Perfil de concentração de sódio e prata das amostras submetidas à troca

iônica a 430 °C por duas horas e tratadas termicamente a 650 °C por duas horas.

................................................................................................................................53

FIGURA 24 – Gráfico mostrando o efeito dos tratamentos térmicos do vidro sobre o

crescimento microbiano com a bactéria Staphylococcus aureus. ...........................54

FIGURA 25 - Peça cerâmica com esmalte a base do vidro BAC-01 com Na e Li..........57

FIGURA 26 - Esmalte cerâmico a partir da frita Bac- 16. ...............................................59

FIGURA 27 A e B - Aspecto das peças desenvolvidas com o intuito de encobrir o defeito

de manchamento ....................................................................................................60

FIGURA 28 - Peça com aplicação do esmalte BAC-16 sobre a peça. ...........................61

FIGURA 29 - Difratograma de raios X da amostra BAC-01............................................62

xii

FIGURA 30 - Difratograma do vidro BAC – 16 onde são identificadas algumas fases

cristalinas; 1- ZrSiO4 ; 2- ZnO; 3- Al2O3; 4 – Al2TiO5..........................................63

FIGURA 31 - Difratograma do esmalte fabricado a partir da vidro BAC -16 já

sinterizado. As fases cristalinas são identificadas como: 1- ZrSiO4 ; 2- ZnO; 3-

Al2O3; 4- Al2TiO5......................................................................................................64

FIGURA 32 - Aspecto transversal da peça cerâmica mostrando a presença de poros no

substrato e na camada vítrea..................................................................................65

FIGURA 33 - Análise por EDAX da amostra de cerâmica com propriedade

antimicrobiana.........................................................................................................66

FIGURA 34 - Perfil de concentração da peça cerâmica já trocada ionicamente com o

esmalte BAC-16 e com propriedades antimicrobianas. ..........................................67

FIGURA 35 - Contagem das células viáveis contra o tempo com exposição das peças

ao cloro. O número em frente às curvas corresponde ao número de vezes de

exposição da peça ao cloro.....................................................................................72

xiii

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - Composição Química do vidro trocador de Íons BAC-01 (% de óxidos). ...30

TABELA 2 - Composição química do vidro trocador de íons (% em peso de óxidos),

utilizado para a otimização do teor de sódio. ..........................................................32

TABELA 3 - Variações impostas na otimização do tempo (A) e temperatura (B) na

troca iônica.............................................................................................................33

TABELA 4 - Composição química do vidro BAC-16 , (% de óxidos), utilizado para a

elaboração do esmalte cerâmico. ...........................................................................34

TABELA 5 - Composição em peso da mistura de sais para a pasta de troca iônica.....39

TABELA 6 - Dados referentes à contagem de células viáveis de Staphylococcus aureus

em peças expostas à uma solução com cloro.........................................................71

xiv

RESUMO

Desenvolveu-se um processo de produção de cerâmicas com

propriedades antimicrobianas. Foram formuladas duas fritas com propriedades de troca

iônica, onde a primeira teve maximizadas as propriedades de troca iônica e a segunda

foi formulada no intuito de aproveitamento para o esmalte de revestimento de piso

cerâmico. As mesmas possuem em comum uma quantidade mínima de sódio. Na

seqüência foi desenvolvido uma pasta com a finalidade de servir de veículo para os

íons prata. Utilizou-se a troca iônica como meio de dopar as cerâmicas com os íons de

prata responsáveis pelo efeito antimicrobiano. A prata presente na pasta, troca

ionicamente com o sódio existente no esmalte cerâmico. Uma série de parâmetros de

processamento foram otimizados, como: composição da pasta trocadora de íons,

temperatura de troca iônica, teor de sódio na frita, quantidade mínima de prata.

Desenvolveram-se métodos de análise microbiológicos específicos para materiais

cerâmicos, haja vista que a aplicação daqueles tradicionalmente utilizados em

laboratórios de análises demonstraram não serem eficientes para o estudo em questão.

Estudou-se ainda o decaimento das propriedades antimicrobianas com o uso de

solução contendo cloro. As técnicas empregadas para auxiliar no desenvolvimento

deste processo foram: espectroscopia de fluorescência de raios X, difratometria de raios

X, análise dilatométrica, microscopia eletrônica de varredura, microanálise por energia

dispersiva, calorimetria diferencial de varredura e sistema “laser ablation ICP-MS”.

Realizaram-se algumas medidas de propriedades como densidade e resistência ao

ataque químico. Foi comprovado que é possível a fabricação de peças cerâmicas que

possuem efeito antimicrobiano.

xv

ABSTRACT The present study reports the results of a research in which a process for

producing ceramic tiles with antimicrobial properties was developed. In this process two

pieces of glass with ion exchange properties were formulated. In the first one the ion

exchange properties were maximized and the second one was formulated in order to

utilize the ceramic paving covering enamel. Both had in common a minimum quantity of

sodium. Then a paste was developed to serve as a vehicle for silver ions. The ion

exchange was used as a means of doped the ceramic with silver ions which were

responsible for the antimicrobial effect. The silver presented in the paste exchanged

ions with the sodium presented in the ceramic enamel. A series of parameters of

processing were optimized, like: the ion exchanging paste, the ion exchanging

temperature, the glass sodium content, minimum quantity of silver. The study also

presents microbiological methods of analysis which were developed specifically for

ceramic materials, because the application of traditional methods used at laboratories of

analyses were not efficient for the present study. And finally it was studied the

decrease of antimicrobial properties by the use of a chlorine solution. The following

techniques were used to help the development of this process: X ray fluorescence, X

ray diffraction, dilatometric analysis, scanning electronic microscopy, energy dispersive

spectroscopy, differential scanning calorimetry, and laser ablation ICP- MS system.

Some measures of properties like density and resistance to chemical atack were also

carried out. The results show that the production of ceramic tiles with antimicrobial

effect is really possible.

CAPITULO 1

1.0 INTRODUÇÃO

A cerâmica de revestimento é amplamente utilizada em residências, construções

comerciais, laboratórios, fábricas, sanitários, entre outros. A justificativa para tal uso é

decorrente de suas propriedades, tais como: elevada resistência física ao desgaste, alta

resistência a ataque químico, estética, facilidade de limpeza e custo relativamente

baixo.

A indústria cerâmica nacional possui grande importância para a economia e sua

participação no PIB (produto interno bruto) chega a 1%, (Bustamante et all., 2000). O

Brasil é atualmente, um dos quatro maiores produtores e o quinto exportador mundial

de revestimentos cerâmicos, com uma produção de 473 milhões de metros quadrados

(Ceramic World Review, 2002). Na Região Sul estão instaladas 34% das indústrias de

cerâmica de revestimento do país. Santa Catarina é o estado com maior volume de

exportações de cerâmicas do Brasil. (ANFACER, 2001).

A globalização da economia e, por conseqüência, o aumento da competitividade

internacional, impõe às indústrias a necessidade de elevar a qualidade de seus

produtos e dos processos de produção. Um fator diferencial que pode ser decisivo na

escolha de um determinado produto pelo mercado, cada vez mais exigente, é o

acréscimo de novas propriedades àquelas já existentes. No presente caso, o objetivo

foi adicionar à cerâmica a propriedade antimicrobiana, em complementação às

tradicionalmente existentes. Nos últimos anos, novos produtos com essa característica

têm surgido no mercado nacional e internacional. Um produto com uma nova

propriedade ajudará a consolidar ainda mais a posição que o Brasil ocupa no mercado,

pois aumentará o valor agregado.

No parque industrial catarinense, as cerâmicas possuem destaque e pode-se

afirmar que o domínio do processo para a produção de vidros com características

antimicrobianas é uma etapa fundamental para a posterior produção do revestimento

INTRODUÇÃO 2

cerâmico em escala industrial com estas propriedades. A implantação do processo

industrial será imediata, visto a existência de um grande mercado potencial e ainda, a

vocação industrial de nosso estado e região, conforme salientado anteriormente.

Existem diversas maneiras para se conseguir o efeito bactericida, sendo o uso

de efeito oligodinâmico um método eficaz e bem conhecido (Oku, 1998). A propriedade

oligodinâmica é a ação que certos íons metálicos têm sobre os microorganismos,

impedindo o seu crescimento (bacteriostático), ou ainda, matando-os (bactericida). As

concentrações empregadas desses íons são baixas, na ordem de partes por milhão.

Diversos íons metálicos possuem essa propriedade, entre eles a prata, o titânio, o

mercúrio, o cobre, o cádmio, o cromo, o níquel, o estanho, o chumbo, o cobalto, o

zinco, o ferro, o manganês, o arsênico, o antimônio, o bismuto, o cério e o bário. Sabe-

se ainda que o efeito oligodinâmico ocorre quando esses elementos metálicos

encontram-se na forma excitada e/ou iônica (Pelkzar, 1998).

Neste trabalho, desenvolveu-se uma metodologia para produzir cerâmicas de

revestimento com propriedades antimicrobianas. A característica de sinterização

imposta nos processos atuais de produção de revestimentos cerâmicos traz

dificuldades para deixar elementos metálicos na forma iônica, pois a atmosfera é

oxidante e estes tendem a formar óxidos. A prata, por formar o óxido metálico com a

menor temperatura de dissociação, tende a ir para o estado metálico (Filho, 1981).

A literatura pesquisada apontou alguns trabalhos desenvolvidos com o intuito de

se conseguir cerâmicas com propriedades antimicrobianas. Porém, para cerâmicas de

revestimento, basicamente, existia um único processo, que é o confinamento iônico, no

qual íons metálicos são confinados em uma rede vítrea estável, que garante a

existência desse íon mesmo quando submetido à sinterização a altas temperaturas

(Atsumi, 1992). Esse processo, entretanto, traz dificuldades de colocar em contato os

microrganismos com os íons de prata e o efeito nem sempre é o desejado.

Assim, optou-se por trabalhar com a troca iônica, cujo processo exige dois

tratamentos térmicos. O primeiro, à temperatura de sinterização normal da peça

cerâmica, aproximadamente 1200°C. O segundo, em temperatura abaixo de 450°C,

que tem por objetivo a troca iônica. Com esse tratamento fica disponível junto a

superfície uma quantidade de íons de prata em concentração suficiente para inibir e/ou

INTRODUÇÃO 3

matar os microrganismos indesejáveis.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 OBJETIVO GERAL

Estudar e desenvolver processos de fabricação de cerâmicas de revestimento

com propriedades antimicrobianas utilizando a troca iônica.

1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Formular e desenvolver vidros que possuam capacidade de troca iônica com

íons metálicos com potencialidade antimicrobiana.

- Otimizar o teor de alcalinos - o sódio e o lítio maximizam a troca iônica com a

prata, mas diminuem a inércia química da camada vítrea.

- Estudar a difusão do íon prata no vidro - a propriedade antimicrobiana ocorre na

superfíce, logo a difusão dos íons para o interior da camada vítrea tornará

indisponível esse íon para poder interagir com o microorganismo. - Avaliar a influência do tempo e da temperatura na troca iônica.

- Preparar o esmalte e verificar seu comportamento diante do substrato, da

expansão linear e de possíveis variantes, como o acréscimo de opacificantes e

corantes e sua influência sobre as propriedades bactericidas.

- Preparar solução trocadora que possa carregar os íons de prata e realizar a troca

com os íons alcalinos existentes na camada vítrea da peça cerâmica.

- Otimizar a quantidade de prata, pois esta maximiza a ação bactericida, porém é

um material com preço elevado.

- Desenvolver metodologia de análise para a eficiência antimicrobiana. Por ser um

produto novo será necessário o desenvolvimento de uma metodologia adequada

para analisar a eficiência antimicrobiana do produto, visto que a aplicação direta

das metodologias microbiológicas existentes mostraram-se inadequadas.

INTRODUÇÃO 4

- Desenvolver uma metodologia para análise de perda de eficiência com o tempo: na interação dos íons metálicos com os microorganismos e meio-ambiente,

ocorre a passivação desses íons, diminuindo a quantidade total destes com o

tempo, baixando a eficiência antimicrobiana.

- Estudar detalhadamente o comportamento micrográfico e iônico da camada

vítrea: observando possíveis modificações microestruturais com a adição da

prata (durante a troca iônica), bem como verificar a quantidade de íons Ag+

presentes na superfície.

Durante o desenvolvimento deste trabalho foram empregadas as seguintes

técnicas e equipamentos:

a) para verificar a eficiência microbiológica foi utilizada a técnica desenvolvida

por Bauer e Colaboradores (1961), com modificações, Concentração Inibitória Mínima

(CIM), Concentração Bactericida Mínima (CBM), bem como contagem de céluas viáveis

em funcao do tempo (CFU em funcao do tempo).

b) para caracterização das matérias-primas e no estudo da camada de esmalte,

dos vidros e íons da peça cerâmica foram empregados: espectroscopia de

fluorescência de raios X, calorimetria diferencial de varredura, termogravimetria,

difratometria de raios X, análise dilatométrica, microscopia eletrônica de varredura,

calorimetria diferencial de varredura, microanálise por energia dispersiva( EDS),

sistema “Laser Ablation ICP – MS”.

CAPÍTULO 2

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 ÍONS METÁLICOS PARA USO BACTERICIDA

2.1.1 INTRODUÇÃO

Microrganismos têm coexistido com os metais ao longo da evolução da

vida no nosso planeta. Isso se reflete em muitas enzimas, nas quais metais bivalentes

ou de transição são os centros ativos. As propriedades químicas dos metais têm sido

requisitadas para catalisar as reações ou para manter as estruturas das proteínas

(Valls, 2002). Os metais estão envolvidos em todos os aspectos do crescimento,

metabolismo e diferenciação microbiana. Muitos dos metais são indispensáveis para a

vida do microrganismo, como por exemplo K, Na, Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo,

enquanto outros não possuem funções biológicas conhecidas, como por exemplo Al,

Ag, Cd, Sn, Au, Sr, Hg, Tl, Pb (Gadd, 1992). Esses elementos podem interagir com as

células microbianas e acumularem-se como resultado dos mecanismos físico-químicos

e de transporte. Eles são necessários, em pequenas quantidades, para o metabolismo

normal da célula e depois de absorvidos por ela são objetos de intrincados mecanismos

(Gadd, 1992).

O efeito bactericida causado por pequenas quantidades de certos íons metálicos

é conhecido há muito tempo (von Naegeli, 1893; Goetz, 1943; Pelkzar Jr. et all., 1998;

Tortora, et all., 2000). Povos antigos, como os gregos e os romanos, observaram que o

limo (algas) não crescia junto a objetos de cobre e de prata. Também era do

conhecimento desses que a água armazenada em jarros de prata permanecia potável

por um intervalo de tempo maior do que aquela armazenada em jarros de argila. Esse

efeito é conhecido como efeito oligodinâmico, que é definido como: “a capacidade que

quantidades extremamente pequenas de certos metais, particularmente a prata,

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 6

possuem para exercerem efeito letal sobre as bactérias” (Pelkzar Jr. et all., 1998). O

termo origina-se do grego “oligos = pequeno” e “dinamikós = poder”. O estudo das

propriedades oligodinâmicas foi iniciado por von Naegeli em 1893. Desde então, tem

sido base para o desenvolvimento de muitos processos e produtos (Muller, 1976; Pratt,

et all., 1989; McAllister, et all., 1992; Ohsumi, et all., 1995; Oku et all., 1998).

A prata, assim como o mercúrio, o chumbo, o ouro e o cobre, são conhecidos

metais pesados e atacam a matéria viva em geral e, particularmente, a vida de

protozoários. Metais pesados podem ser definidos como um grupo de

aproximadamente 65 elementos metálicos, com densidade maior do que 5 g/cm3 e que,

em geral, possuem efeitos tóxicos em microrganismos e outras formas de vida (Gadd,

1978; Duxbury, 1985). Esse conceito é bastante impreciso, pois nesse grupo podem ser

encontrados elementos diversos, inclusive não-metais, como no caso do As, Sb, Bi, Se

e Te. Dentro do grupo dos metais pesados, a prata é o menos tóxico para as formas de

vida superiores e não se tem evidência que seja prejudicial quando o seu uso é

realizado em pequenas concentrações (Goetz, 1943). Estudos descritos por Lukens

(1971), relatam a fungotoxicidade de elementos metálicos em relação à sua posição na

tabela periódica. A toxicidade dentro de determinado grupo aumenta com o peso

atômico. A prata e o ósmio são os elementos mais tóxicos. Martin (1969) mostra outra

forma de classificar os elementos quanto a fungotoxicidade colocando-os em ordem

descendente: Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > Pb > Co > Zn > Fe > Ca. Ele também

apresenta um estudo correlacionando os efeitos da concentração, tempo de exposição,

pH e temperatura no uso da prata para o tratamento de água. Estuda, ainda, o efeito

causado por impurezas presentes como fosfatos, cálcio, cloretos e sulfetos.

Goetz (1943) afirma que a prata é germicida somente se entrar em contato com

a superfície da célula e quando os átomos da prata estiverem em seu estado excitado

ou estado ionizado. Por estado excitado, entende-se que os elétrons de um átomo

estão em um estado diferente daquele em que o átomo apresenta o mínimo de energia

livre. Afirma, ainda, que o átomo de prata torna-se inofensivo quando forma compostos

que não se dissociam, como por exemplo, o Ag2S. Entretanto, faz uma ressalva, na

qual assegura que superfícies de prata não limpas quimicamente (levemente oxidadas

ou halogenadas) mostram uma surpreendente ação bactericida. Em geral, as


superfícies de prata, quando levemente polidas, apresentam alguma atividade

bactericida, mas essa ação germicida normalmente desaparece após uma hora ou

menos.

Deve-se a natureza das reações entre a prata e as proteínas das células vivas a

seguinte situação geral: a superfície da célula entra em contato direto com um átomo de

prata excitado ou um íon de prata. Esses íons de prata são absorvidos pela superfície

da célula e, subseqüentemente, formam proteinatos de prata, que desnaturam os

constituintes das proteínas da célula e assim conduzem a célula à morte. Esse

mecanismo é de muita importância prática, visto que, uma vez a prata sendo

incorporada dentro da célula, não estará mais disponível para outras células. Estudos

realizados com Saccharomyces cerevisiae (Goetz, 1943) mostram que a quantidade de

prata necessária para matar a célula é uma pequena fração da capacidade total de

ligação desta prata com a célula. É demonstrado que a capacidade total de absorção

da prata fica ao redor de 1 x 109 íons de prata, enquanto que o número de íons

necessários para matar a célula fica ao redor de 1 x 104.

Sob o ponto de vista prático, a prata é um material que apresenta um custo

relativamente elevado e, assim sendo, sempre se buscará uma minimização na

quantidade para diminuir os custos. Contudo, deve ser recordado que o efeito

bactericida também depende da concentração da prata e assim faz-se necessário uma

otimização dessa concentração. Estudos realizados por Goetz (1943) demonstram que

para o tratamento de água deve-se trabalhar com concentrações de 105 a 106 íons de

prata, para cada microrganismo presente.

Outro item importante para a utilização da prata em produtos é que a

concentração de íons seja homogênea em toda a superfície, para aumentar a

possibilidade de contato da célula com o íon prata.

A ação de íons Ag+ sobre microrganismos, pode variar desde a destruição quase

instantânea do mesmo, até uma prolongada ação bacteriostática. Este efeito é

dependente das características do microrganismo, das condições químicas e da forma

como a prata é aplicada. Têm sido relatado (Goetz, 1943) que as concentrações de

prata necessárias para ter-se efeito germicida ficam entre 0,02 ppm a 1ppm. Como visto

anteriormente, a concentração letal para as células é 104 íons de Ag+. Se a


concentração inicial for de 5 x 106 microorganismos / ml serão necessários 1013 íons de

prata por litro. Assim sendo é preciso somente 0,00001 ppm para matar a população

toda sob condições ideais. Contudo, sob condições práticas, foram utilizadas

concentrações de até 0,6 ppm para descontaminar água.

2.2 MECANISMOS DE ATUAÇÃO DE ÍONS METÁLICOS SOBRE AS BACTÉRIAS

Virtualmente todos os metais, essenciais ou não, exibem propriedades tóxicas

acima de certa concentração. Os principais mecanismos de toxicidade ocorrem devido

à forte habilidade de coordenação nas ligações químicas (Ochiai, 1987). A

multiplicidade e variedade das ligações encontradas nos microorganismos tornam

possível que esses sofram influência dos metais pesados em muitas etapas durante o

crescimento. Os efeitos tóxicos incluem o bloqueamento dos grupos funcionais de

importantes moléculas, como enzimas, polinucleotídios, sistemas de transportes para

nutrientes, troca ou deslocamento de íons essenciais e rompimento da integridade das

membranas da célula e das organelas.

Na Figura 1, pode ser observado um diagrama que representa a relação entre

os microrganismos e os íons metálicos essenciais e não-essenciais. Observa-se que

existe uma concentração ótima para os íons essenciais. Acima dessa concentração, os

metais passam a exercer um efeito danoso sobre os microrganismos. A presença de

íons metálicos não-essenciais normalmente é prejudicial em qualquer quantidade. As

faixas de concentração e os padrões de resposta irão depender do metal envolvido, do

organismo e dos fatores ambientais. Os efeitos microbiológicos podem incluir, por

exemplo, índice de crescimento, reprodução, diferenciação e metabolismo (Morgan,

1991). Em termos gerais, os microrganismos em contato com os metais têm o seu

crescimento controlado e acontece uma seleção, em que alguns microrganismos são

resistentes. Os mecanismos que as células empregam no intuito de neutralizar o efeito

tóxico dos metais são diversos e podem ser citados os seguintes: precipitação extra-

celular, complexação e cristalização, transformações que incluem oxidação, redução,

metilação e dealquilação, biosorção nas paredes das células, impermeabilidade,

decréscimo no transporte, efluxo e compartimentação celular.


M +

SSENCIAIS

IONS METÁLICOSE

IONS METÁLICOS

ESSENCIAIS

FIGURA 1 - Representação diagramática da relação entre a concentração de íons

metálicos essenciais ou não-essenciais e o efeito microbiológico (Gadd,

1992).

Substâncias que matam os microrganismos ou previnem o seu crescimento são

chamados de agentes antimicrobianos. Mais especificamente, são agentes

antibacterianos, antivirais, antifúngicos e antiprotozoários, dependendo do

microrganismo afetado (Tortora, 2000).

Os agentes antimicrobianos que matam os microrganismos são agentes

microbicidas. A destruição de todos os microrganismos presentes em um material,

incluindo esporos, é denominado esterilização. Agentes que apenas inibem o

crescimento dos microrganismos são chamados de agentes microbiostáticos (Tortora,

2000).

2.2.1 PADRÃO DE MORTE EM UMA POPULAÇÃO MICROBIANA

O critério de morte de um microrganismo é definido como perda da capacidade


de reproduzir-se. Para a avaliação da eficiência de um agente microbicida, uma

amostra do material tratado é cultivada para determinar o número de sobreviventes, isto

é, aqueles que podem crescer e multiplicar-se. Estudos sobre determinados agentes

microbianos afirmam que os microrganismos são mortos por contato, porém, é errôneo

concluir-se que todos os microrganismos são mortos instantaneamente. Eles morrem

em uma relação constante em um dado período de tempo. Esse padrão característico

de morte é denominado morte exponencial. Lin, em 1997, observou que a inativação

dos organismos seguem a taxa de declínio expressa pela seguinte equação:

-(dN/dt) = k N / [(1+ax(Ct)] (1)

em que N é a concentração em um tempo t, de microrganismos dotados com a

capacidade de se reproduzirem, (também chamados de células viáveis), e (N= No

quando t = to), C é a concentração do desinfetante que permanece constante em função

do tempo, k é uma taxa de primeira ordem do decaimento no tempo zero, a é o

coeficiente da taxa, e t é o tempo de contato. Outra maneira bastante utilizada para

classificar-se a atuação de agentes antimicrobianos está representada na Figura 2.

FIGURA 2 - Representação diagramática da atuação de um agente antimicrobiano

versus o tempo.


Nela, pode ser observado que a contagem das células viáveis em função

do tempo indica que a atuação do agente sobre o microrganismo, leva à esterilização,

à pasteurização, ou ainda, apresenta resultado ineficiente e os microrganismos acabam

proliferando-se.

Quando os mecanismos que destroem as células forem elucidados, será

possível predeterminar as condições sob as quais o íon prata atuará mais efetivamente.

Isso pode também auxiliar na revelação das espécies de microorganismos que serão

susceptíveis ao ataque. Os principais mecanismos de destruição microbiana estão

associados com os principais aspectos estruturais de uma célula bacteriana. Pode-se

visualizar no desenho esquemático apresentado na Figura 3, que de maneira geral,

uma célula bacteriana contém no citoplasma: DNA, ribossomos que sintetizam

polipentídios, e centenas de enzimas (Pelkzar Jr. et all., 1998). Delimitando o conteúdo

citoplasmático, as bactérias apresentam uma membrana semipermeável (membrana

citoplasmática), que envolve e mantém a integridade do conteúdo celular, controlando

de maneira seletiva a passagem de substâncias para dentro e para fora da célula e

contém algumas das enzimas responsáveis pelos processos metabólicos.

FIGURA 3 - Desenho esquemático de uma célula procariótica (bacteriana) (Pelkzar Jr.

et all., 1998).

Na parte mais externa, as camadas referentes ao envoltório celular. Uma lesão

em qualquer um desses níveis pode levar a célula à morte. Deve ser considerado,


ainda, que existem diversas condições que influenciam a atividade antimicrobiana.

Os agentes utilizados para inibir ou destruir populações de microorganismos

podem sofrer grandes influências de muitos fatores ambientais, bem como de

características biológicas das células. Assim devem ser consideradas algumas variáveis

importantes no processo (Tortora, 2000; Pelkzar, 1998 ):

- o tamanho da população microbiana: populações maiores levam mais tempo

para morrer do que populações menores;

- a concentração do agente microbicida: quanto menor a concentração maior é o

tempo para destruir uma população;

- tempo de exposição ao agente microbicida: quanto maior o tempo de

exposição, maior será o número de células mortas;

- temperatura em que os microrganismos são expostos ao agente microbicida:

em geral, quanto maior a temperatura mais rapidamente uma população é morta;

- natureza do material que contém os microorganismos: várias características do

material podem afetar o índice de morte celular causado pelo agente microbicida, como

por exemplo, se fluido ou viscoso;

- características dos microrganismos: os microrganismos variam

consideravelmente na resistência à agentes químicos e físicos.

Alguns procariotes mostram resistências específicas determinantes, tolerando

metais, utilizando para tanto, uma grande variedade de mecanismos (Figura 4).

Diferentes microrganismos exibem respostas diversificadas aos íons tóxicos, que lhes

conferem uma certa tolerância a esses metais (Valls, 2002).

Os eucariotes são mais sensíveis à toxicidade dos metais do que as bactérias e

seu mecanismo típico para regular a concentração intracelular de íons metálicos é

desenvolvido por “metallothioneins” (MTs), uma família de proteínas metálicas

quelantes. Outro mecanismo é a redução bacteriana do íon metálico à sulfato (SRB),

que confere um certo grau de tolerância ao metal. Na Figura 4 as concentrações

citadas servem somente como indicativo de como variam largamente dentro dos grupos

taxonômicos considerados.


FIGURA 4 - Capacidade bacterial e mecanismos de tolerância para metais pesados

(Valls, 2002).

Na Figura 5, o esquema resume as várias maneiras que a bactéria reage à

presença de metais exemplificado pelo (M2+) no meio. Esses mecanismos incluem as

ligações intra ou extracelular e a imobilização do metal com a proteína cognata,

(freqüentemente a MTs) ou combinado a um ânion, a biotransformação do íon tóxico

em espécie com menor toxidade ou uma forma mais volátil e a redução do metal.

Contudo podem ser destacados três mecanismos além dos acima citados, por

estarem constantemente presentes em muitos estudos realizados (Lin 1998, Valls,

2002).

A) LESÃO NA MEMBRANA CITOPLASMÁTICA

A membrana citoplasmática de um microrganismo é, normalmente, o alvo de

muitos agentes de controle microbiano. Esta membrana regula ativamente a passagem

de nutrientes para dentro das células e a eliminação de dejetos da mesma. O acúmulo

de íons junto à parede celular desequilibra a permeabilidade da membrana

citoplasmática, além de provocar danos à mesma, pois ocorrerão deslocamentos de

íons do citoplasma na tentativa de neutralizar as cargas.


FIGURA 5 - Diagrama representativo dos mecanismos que a bactéria utiliza para

enfrentar concentrações tóxicas de metais pesados (Valls,2002).

Essa lesão poderá chegar ao extremo de causar o rompimento da membrana

celular e a conseqüente perda do conteúdo citoplasmático ocasionando a morte da

célula. Deve ainda ser salientado, que o envoltório celular (membrana citoplasmática +

parede celular) é diferente entre os dois principais grupos de bactérias (Gram-positiva

ou Gram-negativa). As diferenças na composição e espessura desse envoltório

influencia na maior ou menor facilidade da ação dos íons metálicos. As bactérias Gram-

negativas possuem na parede celular uma fração denominada de membrana externa,

conforme pode ser visualizado no esquema da Figura 6, que confere a esses

organismos maior resistência à ataques químicos.


FIGURA 6 - Representação esquemática das diferenças entre a estrutura fina da

parede celular de bactérias Gram-positivas (bacillus sp) e um pouco mais

espessas das bactérias Gram-negativas (Pelkzar Jr. et all., 1998).

B) INIBIÇÃO DE UMA ENZIMA ESPECÍFICA

As enzimas, que são a princípio proteínas, são vitais para todas as atividades

celulares. Deve ser recordado que as propriedades funcionais das proteínas resultam

da sua forma tridimensional.

Essa forma é mantida por ligações que unem as porções adjacentes da cadeia

de aminoácidos. A interferência nessas ligações desnatura a proteína. Em nível

molecular os metais pesados podem atuar com o reagente sulfidril que se liga ao tiol

livre (grupos - SH) das proteínas (Snow, 1992). Todas as proteínas tirosinas fosfatases

contém tal grupo (-SH) e foi demonstrado recentemente que metais pesados inibem a

fosfatase JNK, presumivelmente via este mecanismo (Cavigeli, 1996).


Existem muitos tipos diferentes de enzimas em uma célula. A inativação de uma

enzima pode ocorrer por diversos motivos, entre esses, pela combinação de um de

seus componentes, o grupo sulfidrila – SH, com íons metálicos como, por exemplo, a

prata, o cobre e o mercúrio.

A prata, vinda de um sal (como o nitrato), liga-se com o enxofre do grupo

SH, conforme o esquema apresentado na Figura 7. Essa reação inativará a enzima

podendo ocasionar a morte da bactéria.

FIGURA 7 - Desenho esquemático da reação entre o íon metálico e a cadeia sulfidrila

presentes em enzimas.

C) ATUAÇÃO SOBRE OS ÁCIDOS NUCLÉICOS

Os ácidos nucléicos DNA e RNA são os responsáveis pela herança genética

celular. Um distúrbio causado a esses componentes nucléicos pode ser letal para a

célula, por acarretar prejuízos à replicação e outras funções metabólicas normais, como

a síntese de enzimas.

Certos agentes químicos sintéticos e algumas substâncias naturais são

poderosos inibidores da síntese do DNA e do RNA. A mutação que ocorre devido à

exposição de uma célula ao íon Ag+ é classificada como mutação química. São

referidas ainda como mutações induzidas, para distinguir da mutação espontânea.

As mutações químicas podem ser subdivididas em:


-substituição de base nitrogenada;

-adição de base nitrogenada;

-deleção de base nitrogenada;

Embora existam outros mecanismos que atuem na destruição de um

microorganismo por íons metálicos esses três anteriormente citados possuem destaque

e prevalecem sobre os demais.

A exposição das células aos metais pesados também induz a transformações

causadas por hipometilação do DNA, resultando em expressões aberrantes dos genes.

2.3 TROCA IÔNICA

2.3.1 GENERALIDADES

A troca iônica é uma técnica bastante utilizada para modificar a composição dos

vidros e para aumentar, de maneira controlada, muitas propriedades não-convencionais

(Frischat, 1975; Terai, 1971; Doremus, 1973). A aplicação da prata para a coloração

de vidrados vem de longa data, sendo que já na Idade Média os vitrais de diversas

catedrais eram tratados com pastas ou banhos de sais de prata com o intuito de

salientar a cor amarela (Navarro, 1991). O procedimento comum para a troca iônica

inclui a imersão do substrato de vidro dentro de um banho de sais fundidos com cátions

monovalentes, tais como Ag+, Cu+, ou K+, que são introduzidos dentro do vidro em troca

com os íons de sódio. Dessa forma, o vidro atua como uma interface seletiva de íons.

Essa troca cria gradientes de concentração de ambos os cátions dentro do vidro e,

esses gradientes, afetam muitas propriedades (Lee et all., 1992; Samuels et all., 1990).

A troca iônica pode realizar-se simplesmente por difusão térmica, ou ainda, assistida

por um campo elétrico. Um dos mais importantes cátions que são introduzidos na

superfície dos vidros por troca iônica para modificar as propriedades químicas e físicas

é a prata. O íon prata quando presente na camada superficial modifica as propriedades


óticas, elétricas e mecânicas do vidro base. A magnitude da mudança dessas

propriedades está relacionada com a distribuição e concentração da prata e a forma em

que ela está presente na rede estrutural do vidro.

Os parâmetros que afetam o processo de troca iônica e alteram a forma dos

perfis de concentração incluem a composição do vidro, o composto que serve de fonte

de prata, temperatura e tempo de troca, além do uso ou não de campo elétrico. De

certa forma, tem-se um inter-relacionamento dos íons dopantes com a estrutura dos

vidros.

A quantidade total de íons de prata introduzidos dentro dos vidros pela troca

iônica pode ser controlada pelas condições em que se realiza a mesma; o perfil de

concentração controlado pela troca iônica e os tratamentos térmicos posteriores

(Ramaswany et all., 1988).

2.3.2 – PERFÍS DE CONCENTRAÇÃO E DIFUSÃO

Os íons Ag+ e Na+ são monovalentes e possuem raios iônicos semelhantes.

Diversos estudos (Ahmed et all., 1997; Berger, 1992; Borsella, et all., 1998,

Sharaf et all., 1991) apontam o íon Na+ como o melhor trocador com o íon Ag+. Ahmed

et all (1997) empregando microanálise por energia dispersiva antes e após a troca

iônica mostram que os perfis de concentração dos íons Al, Ca, Mg e K permanecem

praticamente inalterados, conforme pode ser observado nas Figuras 8 e 9.


A B FIGURA 8 - Distribuição dos elementos no vidro antes da troca iônica. a) em direção

paralela à superfície; b) em direção perpendicular à superfície ( Ahmed et

all., 1997).


FIGURA 9 - Distribuição de elementos no vidro após a troca iônica na direção

perpendicular à superfície ( Ahmed et all., 1997).


Por outro lado, a concentração do sódio na direção perpendicular à superfície do

vidro não permanece uniforme como antes da troca iônica.

A prata é detectada após a troca e também não possui concentração uniforme na

direção perpendicular à superfície, conforme pode ser observado na Figura 10.

FIGURA 10 - Perfil de concentração da prata para diversos tempos de tratamento (

Ahmed et all. 1997).


Outros trabalhos (Doremuz, 1962) também mostram que a prata troca somente

com os íons sódio e não com outros componentes nos vidros.

Na Figura 10, observa-se ainda o perfil de concentração da prata em função da

profundidade para diversos tempos de troca iônica. Nota-se, também, que existe

perfeita concordância com a equação da difusão, ou seja, que aumenta a concentração

à medida que aumenta o tempo de troca iônica.

O vidro é considerado um trocador iônico, no qual a rede de silicatos atua como

a fonte de ânions. A força motora para a interdifusão da prata e o sódio no interior do

vidro que inicia na interface entre o vidro e o banho de sais fundidos é a existência de

um grande gradiente de concentração (Lanford et all., 1979; Doremus, 1983). Esse

gradiente de concentração possibilita a prata trocar a posição com os íons sódio que

por sua vez possuem alta mobilidade.

As Figuras 11a e 11b mostram o efeito da temperatura utilizada na troca iônica

sobre o perfil de concentração da prata para tempos constantes. Em ambos os casos, a

concentração da prata na superfície dos vidros e a profundidade de penetração

aumentam com o acréscimo da temperatura de troca iônica.

Os diferentes ambientes dos dopantes e dos cátions constituintes possuem

importantes implicações para a troca iônica. Se tomarmos como exemplo as taxas

relativas de difusão do sódio e da prata, podem ser tiradas importantes conclusões a

partir de informações estruturais dos vidros silicatos de sódio. A energia de ligação

eletrostática Eb para um alcalino isolado é dada por :

Eb = ∞επε o4

1 OrMe−

2

(2)

no qual “εo” é a constante de alta frequência dielétrica e rM-O a distância álcali-oxigênio,

que pode ser obtido por espectroscopia de absorção de raios X de estrutura fina

(XAFS). Comparando o sítio hospedeiro do sódio e a distância menor na ligação entre o

Ag-O tem-se, conseqüentemente, maior força coulumbiana para a prata, e isto indica

que a energia de ligação, Eb, é maior para a prata que para o sódio e uma taxa de

difusão mais lenta para a prata pode ser esperada.


FIGURA 11 - perfil de concentração da prata no substrato de vidro em função da

temperatura mantendo tempo constante ( Ahmed et all., 1997).

Por exemplo, a 500 °C, o coeficiente de difusão da prata nos vidros é quatro

vezes menor do que o do sódio quando R=0,17. Para cátions isolados, pode-se

expressar a taxa de difusividade DNa/DAg a uma dada temperatura como:

DAgDNa =

−

KTNaEbAgEb

AgRNaR

Ag

Na )()((exp)()(

2

2

υυ (3)

em que RNa e RAg são as distâncias esperadas e ν(Na) ν(Ag) são as freqüências

atemporais esperadas e as energias de ligação Eb(Na) e Eb(Ag) são dados pela

equação (2). Como a rede do vidro é comum a ambos os cátions é razoável esperar

que ν(Na) e ν(Ag) e as constantes de freqüências dielétricas e(Na) e e(Ag), sejam

também aproximadamente iguais. Pode-se presumir além disso que as distâncias

esperadas de RNa e RAg com os respectivos oxigênios vizinhos mais próximos que a


equação 2 seja simplesmente uma função de rNa-O e rAg-O. Se inseridos os valores

medidos de rM-O na equação 2 e estimando que o hospedeiro e o dopante possuam

taxas de difusividade DAgDNa de 3 (que está próximo ao valor observado), a mobilidade

desigual do sódio no sítio hospedeiro e dos cátions de prata trocados resultam em

coeficientes interdifusão dependentes de concentração em que:

D1 =

Ag

Na

DN +

Na

Ag

DN

(4)

sendo que NNa e NAg são as frações molares dos cátions para o vidro trocador de íons,

e depende da concentração da prata de maneira análoga ao efeito do álcali misto

(Hounde, 1993).

Este efeito é manifestado pela baixa condutividade em vidros alcalinos mistos

comparado com aqueles de álcalis simples. O aumento na energia de ativação para a

condução iônica tem sido atribuído as interações álcali-alcali a curtas distâncias. É

demonstrado ainda que os coeficientes de interdifusão são independentes da

concentração até que o íon introduzido atinja 25% do total de íons de sódio presentes

no vidro(Ahmed, 1997).

O coeficiente de interdifusão pode ser calculado em face das medidas dos

perfis de concentração de prata, aplicando a solução da segunda lei de Fick:

C = Coerfc

DtX

2 (5)

Na qual C é a concentração do íon que está se difundindo a uma distância X

após um tempo t, Co é a concentração na superfície do íon difundido e erfc é a função

erro conjugada. Os íons Ag+ são mais polarizáveis que os íons Na+ e possuem uma

maior energia de ionização e ainda uma maior eletronegatividade (Sharaf et all., 1991).

Sharaf (1991) afirma que a diferença de eletronegatividade e uma maior energia de

ionização para as ligações Ag – O quando comparadas com as ligações Na – O,

indicam um caráter covalente maior para a primeira ligação. Esse aumento do caráter


covalente para as ligações Ag – O pode ser a causa para formar essa segunda ligação,

em que a prata substitui o sódio na rede do vidro, conforme desenho esquemático na

Figura 12, formando ligações Ag – O – Si em substituição às ligações Na – O – Si.

Ag+

FIGURA 12 - Desenho esquemático em que está representado a substituição do íon

sódio pelo íon Ag. (a) vidro de rede modificada (vidro sódico). (b)vidro de

alumina-sílica.

São observadas ainda mudanças na energia de ativação. A partir do coeficiente

de interdifusão da Ag em função da temperatura pode-se avaliar o comportamento da

energia de ativação pela aplicação da equação do tipo de Arhenius:

D = Do e (6) RTQ

−


em que Q é a energia de ativação dado em kJ/mol. Esta relação está demonstrada na

Figura 13, na qual se tem um exemplo de uma interdifusão em vidro a 300oC. A relação

pode ser representada por duas linhas retas, cuja intersecção ocorre na temperatura de

470oC. A energia de ativação e os fatores pré-exponenciais são calculados na Figura 13

e podem ser representados por:

350 °C < T < 470 oC D = 4,62 x 10-7 e RT

− 1,34

(7)

T > 470 oC D = 4,13 x 10-1 e RT

− 7,118

(8)

Dois fatores que são afetados pela temperatura podem ser os responsáveis pela

mudança na energia de ativação. Com o aumento da temperatura, a prata iônica é

reduzida a átomos de prata que difundem para formar agregados de prata. A estrutura

do vidro também é modificada se a temperatura exceder a Tg (temperatura de transição

vítrea).

FIGURA 13 - Dependência do logaritmo do coeficiente de interdifusão da prata em

temperatura de aquecimento para troca em vidros a 300 °C por 1 h.


A redução de íons de prata para formar prata elementar (Ago) começa a 450 oC.

Os átomos de prata são estáveis na faixa de temperatura entre 450 - 525 oC. Estes

átomos começam a agregar-se na forma de cristalitos de prata a cerca de 475 oC.

Assim é esperado um menor valor para energia de ativação para a difusão em

temperaturas abaixo de 470 °C, pois corresponde a difusão de átomos de prata.

2.3.3 – AMBIENTE ATÔMICO FORMADO PELO VIDRO E A PRATA

Houde e Inman, em 1994, utilizando absorção de raios-x de estrutura fina,

perceberam que em vidros silicato de sódio os íons alcalinos formavam clusters e/ou

canais. Por esse método, mediram também o ambiente atômico dos íons alcalinos e a

rede formada pelos cátions. O método demonstrou ainda ser eficiente para prever as

propriedades de transporte iônico (dos íons alcalinos), em vidros silicatos binários.

Demonstraram que a adição de alumina (Al2O3) nos vidros silicatos exerce efeito

profundo nas propriedades do vidro. A difusividade dos cátions móveis aumenta quando

Al2O3 é adicionado nos vidros silicatos alcalinos, alcançando o valor máximo quando a

concentração relativa R= [mol%Al2O3]/[mol%Na2O] é unitária. Os mesmos possuem boa

resistência química e evitam a formação de colóides metálicos durante a troca iônica.

As taxas de difusão, a durabilidade química e a formação de colóides estão tão

fundamentalmente ligados ao comportamento dos cátions modificadores que pode ser

esperadas mudanças estruturais dos vidros que contém ou não alumina. Foi verificado,

também, que os ambientes de prata ou de sódio possuem diferenças. A adição de

pequenas quantidades de alumina modifica o ambiente do sódio quando R atinge 0,17.

Enquanto que a distância Na-O não é significativamente modificada, a coordenação cai

de 4,3 para 2,8 e a desordem estática aumenta significativamente. A mudança no

ambiente do sódio pode ser melhor entendida se comparada com a albita cristalina. A

albita é um alumino-silicato de rede aberta em que ambos Si e Al possuem quatro

coordenações com o oxigênio para formar o arranjo tetraédrico tridimensional, com

celas interconectadas.

Todos os oxigênios na sua estrutura cristalina, entre qualquer dos dois cátions Si


ou Al, unem-se através de ligações covalentes. Os grupos negativos [AlO4]- são

compensados pelas cargas dos íons Na+, que ocupam as celas ricas de oxigênio no

centro. Características semelhantes são esperadas em vidros aluminosilicatos. Nos

vidros com igual partes de Al2O3 e Na2O (R=1) os cátions Na+ atuam nas cavidades

ricas em oxigênio para formar a rede completamente polarizada. No outro extremo, em

vidros binários (R=0), o cátion Na+ é tetraédrico com a rede de silicatos através de

oxigênio não pontes (NBO’s), (Vashneya, 1994).

2.3.4- A PRATA NO AMBIENTE DO VIDRO APÓS A TROCA DOS ÍONS Ag+ /

Na+

Usualmente, a troca iônica envolve a substituição dos íons alcalinos do

vidro um a um, por exemplo, o íon (Na+) por um cátion dopante monovalente, como o

íon (Ag+). É comum ser assumido que o dopante realiza uma troca isoestrutural com o

constituinte. Contudo, é descrito por Houde, 1997, que o ambiente da prata no vidro

tetrassilicato trocado ionicamente é distinto daquele apresentado pelo sódio antes da

troca. Nos vidros tetrassilicatos o número de coordenação dos cátions cai de 4,3 (Na-O)

para 2,1 (Ag-O) e, na troca iônica, a distância diminui de 2,32 Å (Na-O) para 2,08 Å (Ag-

O). O ambiente local do Ag é muito similar ao ambiente do Ag2O cristalino. A diferença

não é certamente devido aos colóides metálicos como o Ag-Ag, cuja distância na prata

metálica é de 2,89 Å. A mudança no oxigênio circundante pode ser interpretado em

termos de altos campos de força da prata , de aumento da covalência da ligação Ag-O

e a relativa facilidade com que a maioria das ligações com os NBO’s dos cátions

modificadores podem curvar-se.

Em vidros ricos em alumina (R=0,92) virtualmente todos os sítios de cátions

podem ser associados com as pontes de oxigênio. Com a mudança no ambiente da

prata, as distâncias ao oxigênio aumenta de 2,1Å (R=0) para 2,32 Å (R=0,92), os

fatores de Debye-Waller elevam-se de 0,012 Å2 para 0,036 Å2 refletindo a nova rede

com a prata totalmente polimerizada.


As pontes de oxigênio, neste caso, não estão livre para curvar-se como as NBO

em vidros de baixa alumina e a prata é incapaz de puxar o oxigênio próximo dentro da

configuração preferida Ag2O. A prata conforme a distância do oxigênio disponível, em

relativa rede rígida, é acomodada na rede pelo alto número de coordenação e grande

desordem local. Coincidentemente, os vidros aluminosilicatos plenamente

polimerizados possuem exatamente a composição usada para inibir a formação da

prata metálica coloidal em vidros ionicamente trocados.

CAPÍTULO 3

3. MATERIAIS E MÉTODOS A execução deste trabalho ocorreu em duas grandes etapas, a saber: a

primeira, consistiu no desenvolvimento de um vidro que maximizasse a troca iônica e

possuísse propriedades antimicrobianas; na segunda, o desenvolvimento de um vidro

que pudesse adequar-se ao uso para o revestimento cerâmico e que continuasse a

apresentar as propriedades de troca iônica e antimicrobianas. Para que se conseguisse

o intento, foram seguidas algumas etapas específicas que estão representadas no

fluxograma da Figura 14.

3.1- DESENVOLVIMENTO DE VIDRO TROCADOR DE ÍONS

Esta etapa é a primeira do diagrama da Figura 14. Para potencializar a troca

iônica é necessário um esmalte com teor elevado em álcalis e, por esse motivo, foi

formulado um vidro rico em Na. Embora seja sabido que o aumento no teor de sódio

nos vidros cause redução nas propriedades químicas e mecânicas, neste caso, justifica-

se o elevado teor.

As matérias primas utilizadas nas formulações dos vidros trocadores de

íons foram: quartzo comercial, doado pela Empresa Vidres do Brasil S. A., alumina da

ALCOA SG 1000, carbonato de cálcio, nitrato de sódio e carbonato de lítio PA (Reagen

99,9%). A quantificação dos elementos que formam o vidro (% em peso de óxidos) são

mostrados na Tabela 1.

TABELA 1 - Composição Química do vidro trocador de Íons BAC-01 (% de óxidos).

SiO2 Al2O3 CaO Na2O Li2O

72 3 5 15 5

MATERIAIS E MÉTODOS 31

T=1180°C

T= 430°C

FIGURA 14 - Fluxograma da produção de cerâmicas antimicrobianas pelo processo de

troca iônica.


O cadinho utilizado nas fusões foi de alta alumina. A temperatura de fusão do

vidro foi de 1450 °C por um período de duas horas. Após, verteu-se em água à

temperatura ambiente.

Confeccionou-se, ainda, peças de vidro onde o mesmo foi vertido em cadinho de

carbono, para posteriormente operar-se a troca iônica e serem realizados estudos de

difusão e os ensaios microbiológicos.

3.1.1 – OTIMIZAÇÃO DO TEOR DE SÓDIO NO VIDRO

O sódio maximiza a troca iônica com a prata, mas reduz a inércia química e,

normalmente, atua negativamente sobre as propriedades mecânicas da camada vítrea,

sendo, portanto, necessário à otimização. Realizou-se a otimização do teor de sódio

em função das propriedades microbiológicas, para tanto, foram formulados vidros,

variando-se o teor de óxido de sódio no intervalo de zero a 20% em peso. As

composições estão descritas na tabela 2.

TABELA 2 - Composição química do vidro trocador de íons (% em peso de óxidos),

utilizado para a otimização do teor de sódio.

VIDRO A B C D E F G H I

SiO2 73 73 73 73 73 73 73 73 73

Na2O 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0

Al2O3 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0

Li2O 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0

CaO 20.0 17.5 15.0 12.5 10.0 7.5 5.0 2.5 0.0

Outro óxido que sofreu variação foi o de cálcio, mantendo-se os demais elementos em

proporções constantes. A temperatura de fusão foi mantida a 1450 °C e o tempo em

duas horas. O vidro foi vertido em cadinho de grafite. Utilizando uma mistura de 98%

em peso de nitrato de sódio e 2% de nitrato de prata foi feito um banho e realizou-se a

troca iônica a 430 °C, em forno elétrico ao ar. Manteve-se a mistura em ambiente


escuro. Com este procedimento procurou-se verificar qual a quantidade mínima de

sódio necessária para trocar com a prata e surtir efeito bactericida. O mecanismo de

medida desta eficiência foram os testes microbiológicos. Empregando o vidro moido e

as peças de vidro foram feitos os testes de difusão em ágar, concentração inibitória

mínima e concentração bactericida mínima, que estão descritos nos itens 3.4.1 e 3.4.2.

3.1.2 - ESTUDO DA DIFUSÃO DO ÍON PRATA NO VIDRO

Conforme descrito anteriormente, as propriedades antimicrobianas ocorrem na

superfíce do vidro, logo a difusão dos íons para o interior da camada vítrea tornará

indisponível esse íon para poder interagir com os microorganismos. Esse íon, uma vez

estando no interior do vidro, somente exercerá efeito antimicrobiano quando atingir

novamente a superfície e dependerá da difusão ou do desgaste desta camada vítrea

por agente mecânico ou químico. Em vista disso, realizou-se um estudo detalhado da

influência de tempo e de temperatura na troca iônica. Foram tomados dois tipos de

vidros: O vidro sódio-lítio (BAC-01), cuja composição está descrita no ítem 3.1.1 e o

vidro BAC-16 que serviu para o desenvolvimento do esmalte cerâmico e tem sua

composição especificada no ítem 3.2. Na tabela 3, podem ser observadas as variações

impostas para as duas amostras, quanto ao tempo e a temperatura. Quando se variou a

temperatura, foi mantido o tempo fixo em duas horas, Tabela 3 (B). Quando se

modificou o tempo, a temperatura foi mantida fixa em 430 °C, Tabela 3 (A). O objetivo

foi verificar a influência dessas duas variáveis sobre as características antimicrobianas

e difusivas do vidro.

TABELA 3 - Variações impostas na otimização do tempo (A) e temperatura (B) na

troca iônica.

A

Tempo (minutos) 15 30 60 120 240 360

Temperatura °C 430 430 430 430 430 430

B

Tempo (minutos) 120 120 120 120 120 120 120 120

Temperatura °C 300 380 400 420 430 450 480 520


Utilizando-se uma mistura de 98% em peso de nitrato de sódio e 2% de nitrato

de prata, com adição de água para deixar a mistura sob a forma de pasta realizou-se a

troca iônica a 430°C, em forno elétrico ao ar. A mistura foi mantida em ambiente escuro.

Os corpos de prova foram preparados utilizando-se uma cortadora do tipo isomet com

disco diamantado e baixa rotação para o corte do vidro. Após terem sido embutidos

com resina à frio, os mesmos foram lixados utilizando-se sequência de lixas de carbeto

de silício, e polidos com alumina até a granulometria de 0,5 µm, sendo em seguida

observados no microscópio ótico. Efetuou-se, então, o recobrimento com fina camada

de ouro e levou-se ao microscópio eletrônico de varredura, MEV, e microssonda EDAX.

O objetivo deste procedimento foi estudar o perfil de concentração da prata no vidro e o

comportamento difusivo da mesma na matriz vítrea.

3.2 - DESENVOLVIMENTO DO ESMALTE CERÂMICO

Durante o desenvolvimento do esmalte cerâmico (etapa número 2 no esquema

representado na Figura 14), verificou-se que o vidro que havia otimizado a troca iônica

não se mostrou adequado ao uso no esmalte, ocorrendo o efeito de gretagem. Esse

efeito refere-se ao aparecimento de trincas na superfície da camada vítrea em

decorrência da diferença entre o coeficiente de expansão linear do esmalte e do

substrato cerâmico. Tentou-se minimizar esse efeito colocando-se uma camada de

engobe, que não se mostrou eficiente. Por esse motivo procurou-se formular outro

vidro, cuja composição é dada na Tabela 4.

TABELA 4 - Composição química do vidro BAC-16 , (% de óxidos), utilizado para a

elaboração do esmalte cerâmico.

Óxidos SnO2 Al2O3 CaO K2O Na2O SiO2 ZnO ZrO2

% em peso 0,35 16.50 0.40 0.85 17.00 46.00 5.00 13.90

A matéria-prima utilizada foi aquela normalmente empregada na indústria e a fusão


realizou-se a 1550 °C, em forno industrial, junto à Empresa Vidres do Brasil S.A. Após

os testes utilizando-se FRX e microssonda, verificou-se que o esmalte resultante,

apesar de bastante modificado em relação ao primeiro desenvolvido, continuava a

apresentar as propriedades de troca iônica. Foram, então, realizados testes

microbiológicos, conforme as seguintes metodologias: método de Bauer e

colaboradores (1961) com modificações; determinação das concentrações inibitória

mínima e bactericida mínima; e contagem de células viáveis em função do tempo

(também conhecido como “curva de morte”), que estão descritos no ítem 3.4. Os testes

demonstraram que continuava ocorrendo o efeito antimicrobiano.

Descreve-se a seguir os testes e equipamentos empregados para a caracterização do

material e no ajuste dos resultados, que proporcionaram a confecção das peças com

propriedades antimicrobianas.

3.2.1 - DILATOMETRIA

Realizou-se testes de dilatometria para verificar a expansão térmica linear, utilizando

dilatômetro BP, modelo RB 3000, com taxa de aquecimento de 10 °C/min. Em seguida

confecionou-se amostras com comprimento de 15mm e o coeficiente de expansão

térmica foi avaliado no intervalo entre 30 a 450 °C . Verificou-se, ainda, o ponto de

amolecimento dos vidros.

3.2.2 - RESISTÊNCIA AO ATAQUE QUÍMICO DO VIDRO

Empregou-se, nesta fase, a metodologia descrita por Varshneya, (1994). Recortou-se

amostras do vidro de 2 cm por 2 cm por 0,5cm, as quais foram pesadas e

posteriormente colocadas dentro de um frasco plástico contendo 50ml de ácido

clorídrico 0,1M. Os sistemas foram mantidos a 30 °C por 160 horas, sendo que o

frasco estava com tampa para evitar a evaporação. Após esse tempo, retirou-se as

amostras e lavadas cuidadosamente, utilizando ultrasom por 15 minutos. Após a

secagem, as amostras foram pesadas novamente, determinando-se assim a perda de

massa.


3.2.3 - RESISTÊNCIA AO ATAQUE QUÍMICO DAS PLACAS CERÂMICAS

ESMALTADAS

Mediu-se a resistência ao ataque químico das placas esmaltadas empregando-se

metodologia descrita na norma NBR 13818 Anexo H (ABNT, 1997).

3.2.4 – ESPECTROSCOPIA DE FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X (FRX)

Esta técnica foi empregada para caracterizar quimicamente as materias-primas

utilizadas neste trabalho, bem como a quantificação da prata nos vidros já submetidos à

troca iônica. Realizou-se o trabalho em equipamento PHILIPS, e confeccionou-se

pastilhas das amostras em pó.

3.2.5 - DIFRAÇÃO DE RAIOS X (DRX)

Foi realizada usando um difratômetro de raios X marca PHILIPS modelo X PERT, na

geometria θ - 2θ para determinar-se as fases presentes. O anodo utilizado foi o de

cobre com λ1 = 1,54060Ǻ e λ2 = 1,54439 Ǻ com filtro de níquel sem monocromador e a

faixa angular analizada de 5,00° a 60,00°. Efetuou-se as difrações em temperatura e

pressão ambiente. Identificou-se as fases por comparação de um perfil desconhecido

com o conjunto de difração padrão coletado e mantido pelo JCPDS – (Joint Committee

on Powder Diffraction Standards).

3.2.6 - MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)

Utilizou-se, nesta etapa, um microscópio eletrônico marca PHILIPS modelo XL

30. Para uma melhor resolução utilizou-se uma energia de 20,00 keV, um aumento de

500 a 4000 vezes, na qual procurou-se verificar a presença de defeitos na camada

vítrea, bem como o aspecto de manchamento. Para grandes aumentos foi utilizado o

detector de eletrons secundários.


3.2.7 MICROANÁLISE POR ENERGIA DISPERSIVA

Empregou-se a microssonda EDAX – EDS com 20,00 keV para verificar a composição

elementar da liga. Sabe-se que é mediante a identificação dos raios X emitidos pela

amostra, quando da interação com o feixe eletrônico, que é possível determinar a

composição de regiões com até 1 µm de diâmetro. Essa detecção pode se dar tanto

pela medida de sua energia(“Energy Dispersive Spectrometry” EDS), como de seu

comprimento de onda (“Wavelength Dispersive Spectrometry” WDS).

3.2.8 - CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA

Para a análise térmica empregou-se o equipamento STA 409 C (TA

Instruments) da Netzsch, com cadinhos de platina. Foi utilizada atmosfera de ar

sintético. A razão de aquecimento foi de 10 oC/min. Alumina foi escolhida como material

de referência. Moeu-se o vidro até que passasse por peneira de 325 mesh.

3.2.9 - DENSIDADE

Utilizando-se o equipamento multi-pycnometer da Quanta Chrome determinou-se a

densidade do vidro Bac-16, com uma amostra de 16,08g em atmosfera de gás hélio. O

critério empregado para o tamanho de partícula do pó foi passante em peneira 325

mesh.

3.2.10 – SISTEMA ICP-MS (ESPECTRÔMETRO DE MASSA COM FONTE

GERADORA DE PLASMA)

A tentativa de se quantificar a prata no vidro usando os métodos de FRX e de EDS não

se mostrou satisfatória e, dessa forma, procurou-se outra metodologia para essa

análise. Esse instrumento, ICP-MS, mede facilmente concentrações de parte por

milhão PPM e partes por bilhão PPB. O laser é gerado por sistema Nd-YAG com

comprimento de onda na faixa de 1µm (infra-vermelho) até 266ηm(ultra-violeta). A

atmosfera utilizada foi a de argônio. Empregou-se o laser com comprimento de onda de

250ηm.


3.3 – DESENVOLVIMENTO DA SOLUÇÃO TROCADORA DE ÍONS

Nesta etapa, que corresponde a etapa de número seis do diagrama representado

na Figura 14, desenvolveu-se uma solução que carrega os íons de prata e realiza a

troca com os íons de sódio existentes na camada vítrea da peça cerâmica.

Partiu-se de uma mistura de nitrato de prata que atuou como fonte de prata e

nitrato de sódio, servindo como veículo de transporte, sendo a mistura dissolvida em

água destilada. Fez-se diversas composições e optou-se por trabalhar com 2% de

nitrato de prata e 98% de nitrato de sódio, em função da otimização realizada e que

está descrita no ítem 3.3.1. A escolha dos nitratos ocorreu principalmente pela

temperatura de fusão dos mesmos, que os leva a estarem no estado líquido na

temperatura de tratamento de troca iônica. Moeu-se a mistura por 20 minutos em

moinho excêntrico. O uso do nitrato de sódio deve ocorrer para que se tenha uma

homogenização da prata em toda a superfície da peça cerâmica e o mesmo serve como

diluinte na solução formada. A água deve estar na proporção de uma grama da mistura

dos sais para 3 gramas de água. O uso de água e do nitrato de prata somente não se

mostrou conveniente, haja vista, que diminuiu a eficiência antimicrobiana. O uso da

água permitiu um bom espalhamento da mistura sobre a peça. Testou-se, ainda, a

glicerina, pois ambos os sais apresentam solubilidade nesta substância, porém ela foi

abandonada, pois ao se realizar o tratamento térmico a mesma produzia uma enorme

quantidade de fumaça. O uso da mistura álcool e nitrato de prata também não se

mostrou adequado, pois ocorria evaporação do álcool a baixa temperatura e, como

conseqüência, o nitrato de prata ficava mal distribuido sobre a superfície da peça.

3.3.1 - OTIMIZAÇÃO DA QUANTIDADE DE PRATA

A prata maximiza a ação bactericida, porém é um material com preço elevado.

Por esse motivo e, ainda, por ser um material que em elevadas concentrações poderá

causar danos inclusive aos organismos superiores, foi necessário uma otimização nesta

etapa.


Para tal, após se ter o esmalte pronto, procedeu-se uma variação do percentual

de nitrato de prata e de sódio até observar-se uma atividade microbiológica esperada,

detectada pela contagem de células viáveis contra o tempo, também conhecida por

“curva de morte”.

Na Tabela 5, mostra-se a variação da concentração da composição da mistura

nitrato de prata/nitrato de sódio em peso.

TABELA 5 - Composição em peso da mistura de sais para a pasta de troca iônica.

NaNO3 % 99,50 99,00 98,00 95,00 80,00

AgNO3 % 0,50 1,00 2,00 5,00 20,00

3.4- DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE EFICIÊNCIA ANTIMICROBIANA

Por ser um produto novo, necessitou-se do desenvolvimento de uma metodologia

adequada para analisar a eficiência antimicrobiana do mesmo, visto que a aplicação

direta das metodologias existentes mostrou-se inadequada. Para tanto, utilizou-se

quatro metodologias diferentes e adaptadas às exigências que os materiais

apresentaram. Essas metodologias, bem como todo o procedimento laboratorial para

análise microbiológica, estão descritas detalhadamente no Apêndice 1. A seguir se faz

uma descrição, sucinta e ilustrada com fotos, de algumas das etapas da metodologia

que serviu como base nos procedimentos adotados na realização dos testes. Entre

esses, destaca-se o método de Bauer e Colaboradores (1961) modificado, e a

determinação da concentração inibitória mínima e contagem de células viáveis contra o

tempo (“curva de morte”).


3.4.1 - PROVA DE BAUER E COLABORADORES MODIFICADO

Os procedimentos para os testes microbiológicos, empregados neste trabalho,

normalmente foram desenvolvidos em quatro dias. No primeiro dia foi realizado a

esterilização de todo o material que seria utilizado nos testes. O material foi

autoclavado a 121°C por 15 minutos e após este tempo secou-se em estufa a 50°C por

24 horas. Na seqüência, foram preparados os meios de cultura, com as quantidades do

meio nutritivo por litro sendo especificadas nos frascos pelo fabricante. Neste trabalho

utilizou-se os seguintes meios de cultura fornecidos pelos laboratórios Difco: Brain

Heart Infusion (BHI) e o caldo Mueller Hinton Broth (MHB) para o crescimento e

manutenção das bactérias e leveduras e para os testes de concentração inibitória

mínima e concentração bactericida mínima; meio de Ágar Sangue para verificar a

pureza das culturas; para a contagem dos microrganismos Plate Count Agar, Agar

Sabouraud e Agar-Agar, (dependendo do material e do microrganismo a ser utilizado).

Para todos os testes de atividade antimicrobiana, o inóculo bacteriaino foi

preparado da seguinte forma: 0,3ml de uma cultura mantida a –20 °C, transferido para

3ml de BHI, o qual manteve-se em estufa por 24h a 35°C. Após as primeiras 8 horas de

incubação em alíquota de cultura jovem foi semeada em meio de ágar sangue (Figura

15 - A ), para testar a pureza da mesma. Após completar 24 horas de inoculação, as

culturas puras tiveram a sua turvação ajustada com o caldo de cultura para 108 UFC/ml

(em comparação com o tubo 0,5 da escala de Mac Fareland). Diluiu-se essa

suspensão em solução fisiológica à concentração de até 1:5.000.000 UFC/ml. A seguir,

saturou-se um swab com a suspensão bacteriana diluída a 1: 5000 (figura 15 D) e os

microrganismos foram espalhados uniformemente sobre a superfície do ágar plate

count, distribuído em placas. Posteriormente, os corpos de prova foram distribuídos

sobre o ágar, de forma a evitar a sobreposição de possíveis halos de inibição de

crescimento (Figura 15 F e G). Incubou-se, então, os sistemas a 37°C por 18 horas e

procedeu-se a leitura e interpretação das placas (Figura 15 I).


A

B C

D E F

G

H I

FIGURA 15 - Esquema seqüencial da prova de Bauer e colaboradores modificado.

(Koneman et al, 1993)

As zonas de inibição em volta dos corpos de prova foram mensuradas com uma

régua com escala em milímetros , e/ou um compasso de calibre ou ainda com o auxílio

de um analisador de imagens, (Figura 15 H e I). É importante notar que as medidas

das zonas de inibição envolvem a tomada da leitura através do centro da zona para

incluir o diâmetro dos corpos de prova.


3.4.2 PROVA DE SENSIBILIDADE POR DILUIÇÃO EM CALDO

a) Concentração inibitória mínima:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10


concentração inibitória mínima mostrada aqui é de 1,234mg.

O objetivo da prova de sensibilidade por diluição em caldo é verificar qual a

quantidade mínima de material que deve ser adicionado para se ter a inibição do

crescimento microbiano. Foram utilizados 10 tubos contendo 10 ml de BHI. A cada tubo,

adicionou-se uma quantidade do agente antimicrobiano. Normalmente se emprega um

fator de divisão por dois ou raiz de três, por exemplo. Neste trabalho empregou-se a

divisão por três. A Figura 16 representa o desenho esquemático de dez tubos contendo

a mistura de caldo nutritivo, o vidro antimicrobiano em pó e suspensão bacteriana.

Neste caso em cada tubo contendo 10ml de BHI, foi transferido 200µl de

suspensão bacteriana ajustado a 108 CFU/ml pelo padrão de turbidez MacFarland. A

cada tubo foi acrescentado uma quantidade do vidro já trocado ionicamente com a

prata. Partiu-se de uma massa de 100 mg/ml no tubo 1 e chegou-se a uma

concentração de 0,015 mg/ml no tubo 9. O vidro foi moído até passar em peneira de

325 mesch, isso corresponde a partículas com diâmetro médio inferior a 45µm. O tubo

10 não continha o princípio ativo e serviu como um controle de crescimento (branco).

Após o final deste período, os meios foram examinados visualmente para comprovar a

presença de turvação. Observa-se no desenho esquemático da Figura 16 que os 5

tubos da direita contém um meio turvo enquanto os da esquerda o meio está claro. A


turvação indica que houve crescimento dos microrganismos. A concentração do produto

antimicrobiano existente no meio não foi suficiente para inibir o crescimento. A inibição

ocorre entre o quinto e sexto tubo. Este é o chamado ponto de ruptura e introduz o

termo concentração inibitória mínima (CIM), definida como a menor concentração de

um principio ativo em µg/ml, que inibe o crescimento in vitro dos microrganismos.

Assim, na Figura 16, a CIM está entre 1,234µg/ml e 0,411µg/ml; entretanto por

convenção, a CIM é considerada como a concentração do princípio ativo contida no

primeiro meio de cultura da série, a qual inibe o crescimento visível.

b) A concentração bactericida mínima (CBM):

A concentração bactericida mínima (CBM) refere-se a menor concentração em

µg/ml, que mata o microrganismo em estudo, e essa é uma etapa subseqüente a CIM.

Os sistemas (meio de crescimento+ microrganismo + princípio ativo) após 18h é

semeada em placas de plate count ágar, (uma placa correspondente a cada tubo).

Assim, depois da leitura da CIM, uma alíquota de 200µl de cada cultura foi

transferida para o meio de cultura plate count Agar. As placas inoculadas

permaneceram em estufa por 18 horas a 35°C. Após esse período foi feito a contagem

das colônias.

3.4.3 - CONTAGEM DE CÉLULAS VIÁVEIS CONTRA O TEMPO

A metodologia empregada até a diluição foi a mesma do item 3.4.1. A seguir

dividiu-se a peça cerâmica em seis partes, sendo feito um círculo com

aproximadamente 2cm de raio em cada parte. Posteriormente foram pipetados 200µl

da suspensão bacteriana diluída até 10-4 e este foi depositado sobre a peça. Após o

intervalo de tempo pré-determinado (0,1,2,3,6 h) o material depositado sobre as peças

foi recuperado com o auxílio de um swab estéril, e diluiu-se o meio em 4,5 ml de

solução fisiológica. Em seguida transferiu-se 200µl da suspensão para placas com

plate count Agar, sendo espalhados sobre a superfície com uma alça de Brigalski.

Colocou-se em estufa por 18 horas a 36 °C e procedeu-se a leitura utilizando de lupa e

contador de colônias. Simultaneamente foi realizado também o controle de crescimento


microbiano da peça sem o princípio ativo (branco).

3.5 – DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE PERDA DE EFICIÊNCIA COM ATAQUE QUÍMICO

Na interação dos íons metálicos com os microorganismos e meio-ambiente,

ocorre a passivação desses íons diminuindo a quantidade total destes com o tempo,

baixando dessa forma a eficiência antimicrobiana.

Um dos principais agentes químicos com os quais as cerâmicas normalmente

entram em contato é o cloro, presente em grande número de produtos de limpeza.

Utilizando uma solução de cloro com concentração de 0,1M foram espalhados 5ml em

uma área de 30cm x 30cm com o auxílio de algodão. Após esse procedimento a

superfície ficou secando em temperatura ambiente. O teste microbiológico para verificar

a passivação do princípio ativo na cerâmica foi o de contagem de células viáveis (CFU)

em tempo pré-determinado (0,1,2,3,6 h). Repetiu-se cinco exposições da peça à essa

concentração e verificou-se se ocorria decaimento nas propriedades antimicrobianas

com o tempo. Comparou-se, em seguida, o desempenho com uma peça sem a

presença do cloro (branco).

CAPÍTULO 4

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1- DESENVOLVIMENTO DE UM VIDRO COM CAPACIDADE DE TROCA IÔNICA

A necessidade de obter-se um vidro com elevada concentração superficial de

prata, conduziu o desenvolvimento de um material com possibilidade de trocar íons,

haja vista, que a prata possui baixa solubilidade em vidros silicatos, conforme foi

discutido no capítulo 2. Com base na composição “G” apresentada na tabela 2,

obteve-se um vidro com boa transparência, baixa porosidade e com possibilidade de

realizar a troca iônica entre os íons de sódio e prata, sendo que o segundo melhor

trocador iônico com a prata é o lítio ( Ahmed et all., 1997). A adição do lítio na

composição do vidro teve duas finalidades: a troca com o íon prata, e o abaixamento

da temperatura de fusão, pois o lítio assim como os outros metais alcalinos é ótimo

fundente. Nas figuras 17 e 18 ilustram-se os resultados microbiológicos com o vidro

produzido em laboratório, formando um halo de inibição ao crescimento microbiano ao

redor das peças de vidro que apresentam 15,0 % de peso em óxido de sódio. Este

teste antecede os outros testes microbiológicos, por ser mais simples e atuar de forma

qualitativa, pois se observa se o vidro inibiu ou não o crescimento microbiano. Ele foi

utilizado principalmente na etapa de formulação do vidro e otimização dos parâmetros.

O halo referido acima pode ser observado na figura 17, pela ausência dos

pontos brancos próximos ao vidro-B, que possui propriedade antimicrobiana. Os

pontos brancos são colônias de bactérias que cresceram a partir de células viáveis. O

vidro-A que não apresenta o halo inibitório não continha sódio na formulação. Embora

tenha sido submetido ao mesmo processo de troca iônica, os resultados obtidos na

análise deste vidro utilizando-se microssonda EDAX, não apresentaram valores

mensuráveis para a prata. Estes resultados concordam com os resultados obtidos por

Amed (1997) e apresentados no capítulo 2, em que se demonstra que outros íons

presentes no vidro não trocam com a prata.

RESULTADOS DISCUSSÃO 46

1 cm

FIGURA 17 - Teste microbiológico do vidro produzido em laboratório e submetido a

troca iônica a 430 °C, por duas horas, frente a bactéria Staphylococcus

aureus. A) Sem óxido de sódio. B) com 15,0% de óxido de sódio.

1 cm

FIGURA 18 - Teste microbiológico do vidro produzido em laboratório, com 15,0% em

óxido de sódio, com troca iônica a 430 °C por duas horas , ante a presença da bactéria

Escherichia coli.

Pode observar-se que os halos das figuras 17 e 18 apresentam diferenças nas


dimensões. Os halos inibitórios com área diferenciada decorrem do fato dos

microrganismos apresentarem níveis diferentes de sensibilidade ao antimicrobiano. No

Capítulo 2, discutiu-se as características dos microrganismos e o fato dos mesmos

poderem ser classificados como gram-positivos ou negativos e a distinção de algumas

propriedades apresentadas. A camada de proteção adicional presente nas bactérias

classificadas como gram-negativas faz com que esses microrganismos apresentem,

de modo geral, maior resistência ao efeito oligodinâmico.

O Staphylococcus aureus é um microrganismo gram-positivo, enquanto o

Escherichia coli é um microrganismo do tipo gram-negativo. O efeito diferenciado foi

levado em conta e teve-se o cuidado na otimização da quantidade de sódio/prata para

que não se otimizasse levando em consideração os casos mais favoráveis, (os

microrganismos gram-positivos, que são mais sensíveis), mas sim, o contrário. A

área de inibição mantém relação com o grau de eficiência de um material bactericida.

Quanto maior essa área, maior é a eficiência desse material.

4.1.1-OTIMIZAÇÃO DO TEOR DE SÓDIO NO VIDRO

O sódio maximiza a troca iônica com a prata, mas baixa a inércia química e

normalmente atua negativamente sobre as propriedades mecânicas do vidro, sendo

necessário, portanto, uma otimização. A determinação da quantidade ótima foi

realizada e os testes microbiológicos demonstraram que a quantidade necessária para

que se tenha um halo inibitório em ambos os tipos de bactérias gram-positivas e gram-

negativas é igual ou superior a 15% em peso. Porém pelas propriedades químicas

deve-se minimizar o uso do sódio. Dessa forma, tomou-se essa quantidade como a

quantidade mínima que deveria estar presente nas formulações. Abaixo dessa

quantidade, os resultados microbiológicos mostraram-se aquém das espectativas,

principalmente com as bactérias do tipo gram-negativas.

As análises também foram realizadas com peças de vidro e vidro moído com

granulometria abaixo de 45µ. Na Figura 19 A, pode-se observar o resultado

apresentado pelo pó de vidro contendo 10% em peso de sódio. Observa-se no interior

do halo (local apontado pela seta), a ocorrência da presença de colônias que, apesar


de ter seu desenvolvimento prejudicado resistiram ao teste.

FIGURA 19 - Teste microbiológico de difusão em ágar do pó de vidro produzido em

laboratório, com 10,0% (A) e 15% (B) em sódio, com troca iônica a 430 °C,

frente a bactéria Escherichia coli.

Esse fato é indicativo de que se tem colônias resistentes ao agente

antimicrobiano. A causa mais provável é a baixa concentração dos íons de prata, pois

o sódio presente, e maior responsável pela troca iônica, não foi suficiente para que o

vidro apresentasse uma concentração de prata eficiente. A presença de outro tipo de

microrganismo poderia também causar este fenômeno, contudo, esta hipotese foi

descartada pelo fato de que se trabalhou com microrganismos nos quais testou-se a

pureza. Poderia ainda ser decorrente de mutações nos microrganismos, hipótese que

não foi possivel descartar, haja vista a complexidade dos testes que deveriam ser

realizados para que se detectasse tal mudança. Na figura 19 B observa-se o halo

inibitório do vidro contendo 15 % de sódio. A concentração mostra-se suficiente para

matar todos os microrganismos presentes. Não foram detectadas colônias no interior

do halo.

Para ilustrar o efeito do teor de óxido de sódio presente no vidro nas

propriedades antimicrobianas realizou-se um estudo variando a quantidade de óxido

de sódio e mediu-se as áreas dos halos de inibição.


O resultado deste estudo é apresentado na figura 20, na qual o gráfico

representa as medidas do halo de inibição com a variação do teor de sódio. Para as

medidas, foram tomadas as áreas dos halos e subtraidas as áreas ocupadas pelo

vidro. A consideração relativa ocorreu porque foram avaliados o maior e menor efeito.

Tomou-se um valor máximo para o sódio de 20%, pois acima deste valor a

solubilidade do vidro é muito elevada, sendo facilmente atacado (solúvel), até mesmo

em água, diminuindo o campo de aplicação. Ao maior valor obtido, considerou-se

100% e ao menor zero.

0 5 1 0 1 5 2 0

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

Efe

ito B

acte

ricid

a R

elat

ivo

T e o r d e ó x id o d e S ó d io n o V id r o % e m P e s o

FIGURA 20 - Efeito bactericida relativo, com a variação do teor de óxido de sódio

presente no vidro.

Essa variação foi obtida quando se modificava o teor de óxido de sódio no vidro

entre 0 e 20%, conforme composições descritas na Tabela 2. Pode ser observado que

ocorre claramente um aumento do raio do halo de inibição com o aumento da

concentração, aproximadamente linear com correlação superior a 95% pelo método

dos mínimos quadrados. Esse resultado era esperado haja vista que o aumento do

teor de sódio implica no aumento da troca iônica e, por consequência, do teor de

prata.


4.1.2 - ESTUDO DA DIFUSÃO DO ÍON PRATA NO VIDRO

Para que o vidro apresente o efeito antimicrobiano, o íon Ag+ deve interagir com

o microrganismo. Assim, a propriedade antimicrobiana dependerá da existência de

íons de prata na superfície do vidro. Outra condição é que os íons Ag+ não sejam

lixiviados, pois este fato traria consigo a perda de eficiência antimicrobiana

rapidamente. Embora estudos da concentração da prata em vidros tenham sido

realizados aplicando EDAX e RBS (Ahmed, 1997; Berger, 1992), neste trabalho optou-

se por fazer uma curva de calibração utilizando a técnica ICP-MS. Essa decisão

ocorreu devido a valores não coerentes encontrados quando se efetuou tal estudo

com o uso do EDAX.

1 2 3 4 5 60

5

10

15

20

25

30

35

40

45

IC P -M S

Teo

r de

pra

ta d

eter

min

ado

por

ED

AX

e p

or I

CP

-MS

.

T e o r e m p e so d e ó x id o d e p ra ta p rese n te n a p a sta d e troc a iô n ic a .

E D A X

FIGURA 21 - Teor de prata encontrado no vidro utilizando EDAX e ICP-MS

Tentou-se ainda a utilização da técnica de espectroscopia de FRX, mas também

mostrou-se insatisfatória, pois na fusão da pastilha ocorria precipitação da fase de

prata metálica. O gráfico apresentado na Figura 21 traz duas curvas: a primeira,

refere-se aos valores obtidos utilizando-se microssonda EDAX; a segunda curva é

referente aos valores obtidos empregando-se o ICP-MS. A diferença entre os valores

obtidos por duas técnicas diferentes para o mesmo material desencadeou uma série


de repetições dos ensaios. A conclusão de que a curva apresentada pela técnica do

ICP-MS era aquela que se aproximava do valor real foi inteiramente experimental.

Assim, os valores obtidos por EDS devem ser corrigidos levando-se em consideração

as curvas apresentadas na Figura 21. Nesta figura pode-se obter ainda os valores da

eficiência na troca iônica. Por exemplo, para uma pasta contendo 30% em óxidos de

prata o valor encontrado no vidro é de 5,8%, resultado corrigido utilizando-se a curva

da figura 21. Deve ser salientado que somente uma parcela da prata colocada na

mistura para realizar a troca iônica logra o intento de realizá-lo, apresentando,

portanto, o vidro valores de concentração bem aquém daqueles da pasta trocadora de

íons. O percentual de eficiência médio na troca iônica ficou em torno de 20%.

Outros aspectos importantes presentes nas leis da difusão são a temperatura e o

tempo. Por isso, também realizou-se otimizações quantos a essas duas variáveis.

Verificou-se a influência na difusão da temperatura e o efeito nas propriedades

antimicrobianas. Para tal, tratou-se termicamente por mais duas horas as peças que

já haviam passado pela troca iônica. De acordo com o descrito na literatura (Ahmed,

1997) e, em concordância com as lei da difusão, à medida que se desloca da

superfície para o interior da amostra, o teor de prata decai. Se o sódio for o

responsável pela troca iônica é esperado que o mesmo tenha um aumento da

concentração à proporção que se afasta da superfície. Os resultados dos perfis de

concentrações do sódio e da prata obtidos por EDS são apresentados na figura 22. Na

superfície, ocorre uma grande concentração de prata que ultrapassa os 33% em peso,

medida utilizando o EDS. Após correção empregando a curva apresentada na figura

21, esse valor é de 5,94% de Ag. À medida que se avança para o interior da peça,

esse valor caiu e aumentou o teor de sódio. Este último, obtido por EDS, somado a

quantidade de prata após a correção, aproxima-se do valor do sódio utilizado na

formulação.

A exceção ocorre na superfície, onde se estima que, pela maior mobilidade

apresentada por esse íon, o mesmo tenha saido da matriz vítrea resultando em

valores menores do que os esperados.


0 100 200 300 400 5000

5

10

15

20

25

30

35

PERFIL DE CONCENTRAÇÃO DE Ag E Na DAS AMOSTRASSUBMETIDAS À TROCA IÔNICA SEM TRATAMENTOTÉRMICO

%PESO

PROFUNDIDADE (MICRON)

FIGURA 22 - Perfil de concentração das amostras submetidas à troca iônica a 430 °C

por duas horas sem tratamento térmico.

Na figura 23, apresenta-se os resultados dos perfís das concentrações de prata e do

sódio para amostra que foi tratada termicamente a 650 °C por duas horas. O valor

corrigido mostra um teor de Ag na superfície de aproximadamente 2,3%. Isso

demonstra claramente a influência das variaveis tempo e temperatura no perfil de

concentração da prata. Pode ser observado que a concentração de prata na

superfície cai para aproximadamente um terço do valor sem o tratamento térmico.

Isso traz consigo uma perda na eficiência antimicrobiana. O tratamento térmico, além

de diminuir a quantidade de prata na superfície da peça, também leva a prata da forma

iônica para a metálica. Conforme está descrito na literatura (Goetz, 1943), a

passagem do estado iônico para o metálico tende a eliminar o efeito antimicrobiano.

A perda nas propriedades bactericidas pode ser observada na figura 24, com a

comparação de amostras nas quais efetuou-se a troca iônica e que, posteriormente,

foram tratadas por duas horas a 400 oC, 500 oC e 600 oC. A diminuição na propriedade

bactericida pode ser evidenciada pela diminuição da área no halo de inibição,


conforme descrito no gráfico. A difusão cresce com o aumento da temperatura, mas

aparece o efeito da formação de partículas metálicas quando essa temperatura atinge

470oC. Por essa razão é que ocorre uma diminuição nas propriedades

antimicrobianas.

P E R F I L D E C O N C E N T R A Ç Ã O D A S A M O S T R A S S U B M E T I D A S À T R O C A I Ô N I C A T R A T A D A S T É R M I C A M E N T E A 6 5 0 C .

FIGURA 23 - Perfil de concentração de sódio e prata das amostras submetidas à troca

iônica a 430 °C por duas horas e tratadas termicamente a 650 °C por duas horas.

Esse estudo foi realizado com dois tipos de vidros: o vidro BAC-01 com sódio-

lítio, cuja composição está descrita no ítem 3.1.1, e o vidro que serviu para o

desenvolvimento do esmalte cerâmico, o BAC-16, cuja composição está especificada

no ítem 3.2. Na tabela 3, podem ser observadas as variações impostas para as duas

amostras, quanto ao tempo e à temperatura.

Quando se variou a temperatura foi mantido o tempo fixo em duas horas.

Quando o tempo foi a variável, manteve-se a temperatura fixa em 430 °C. O objetivo

foi verificar a influência dessas duas variáveis sobre a característica microbiológica e

difusiva do vidro.


FIGURA 24 – Gráfico mostrando o efeito dos tratamentos térmicos do vidro sobre o

crescimento microbiano com a bactéria Staphylococcus aureus.

Os resultados apontaram para uma otimização do tempo de troca iônica de

duas horas a 430 °C. Neste tempo e temperatura, obtém-se uma concentração de

prata ao redor de 4% em profundidade de 25µm. A necessidade de garantir-se um

efeito com o tempo impõe que se disponha de íons de prata junto à superfície que

ficarão disponíveis à medida que a peça sofre desgaste e a concentração for

modificando-se.

4.1.3 - ANÁLISE MICROBIANA DO VIDRO BAC-16 POR CONCENTRAÇÃO

INIBITÓRIA MÍNIMA

Com o vidro moído e com a troca iônica já efetuada procedeu-se o

estudo da concentração inibitória mínima, utilizando no tubo 01 uma amostra de 100

mg em tubo contendo 10 ml e efetuou-se uma divisão por três deste peso nos tubos

seguintes. A concentração inibitória mínima ocorreu no quarto tubo com 3,703 mg. No

quinto, ocorreu turvação. Pode-se, a partir da concentração da prata no vidro, estimar

a quantidade de prata presente. Deve ser lembrado, entretanto, que um número

absoluto da concentração de íons de prata é de difícil determinação e que existe a


dependência da área superficial para o contato desses íons com a superfície. O

aumento da área superficial implica em maior quantidade de prata presente para ação

oligodinâmica. Considerando que pela análise da quantidade total de prata presente

se tem 4,7% (já corrigido pela curva apresentada na figura 21), a quantidade total de

íons de prata presente é de 9,79 x 1017. Conforme apresentado no capítulo 2, a

quantidade necessária para matar-se 10ml de bactérias com concentração inicial de

108 seria 1013 íons de prata. Acredita-se que a diferença entre as concentrações é

causada pela prata que se encontra no interior do vidro.

4.1.4 - ANALISE MICROBIANA POR CONCENTRAÇÃO BACTERICIDA

MÍNIMA

Após a determinação da concentração inibitória mínima, tomou-se uma

amostra de cada tubo e realizou-se a concentração bactericida mínima e verificou-se

que o tubo que inibiu o crescimento apresentou 8 colônias após incubação. Assim, a

concentração bactericida mínima ocorreu no tubo contendo 11,111mg. Os cálculos

para essa quantidade de vidro apontam para uma quantidade de aproximadamente

2,93 x1018 íons de Ag+.

4.1.5 - RESISTÊNCIA DO VIDRO AO ATAQUE QUÍMICO

Empregou-se, nesta etapa, metodologia desenvolvida por Varshneya

(1994), e neste trabalho descrita no item 3.2.2 . As peças do vidro BAC-01 a base de

sódio, após sofrerem ataque químico (ácido clorídrico 0,1M) e, posteriormente,

pesadas, mostraram uma perda de massa na ordem de até 45%. Como esse valor é

bastante significativo imediatamente procurou-se trabalhar em outra formulação que

aumentasse a resistência ao ataque químico. Isso aconteceu após ser empregada a

formulação na qual essa característica foi privilegiada (ver Tabela 4), porém mantendo

a capacidade de troca iônica verificada por meio de análise com EDS e o efeito

antimicrobiano. Com o novo vidro, os testes realizados demonstraram, em alguns

casos, ataque inferior a 1,2% de perda de peso. Porém, a grande maioria das peças

não sofreu perda de massa que fosse significativa. As amostras demonstraram uma


boa resistência ao ataque químico.

4.2 - DESENVOLVIMENTO DO ESMALTE CERÂMICO Durante o desenvolvimento do esmalte cerâmico (etapa de número 2, no

esquema representado na Figura 14), verificou-se que o vidro que havia otimizado a

troca iônica não se mostrara adequado ao uso no esmalte, ocorrendo o efeito de

gretagem após a queima, que é o aparecimento de trincas na superfície da camada

vítrea em decorrência da diferença inadequada entre o coeficiênte de expansão linear

do esmalte e do substrato cerâmico. Tentou-se minimizar esse efeito colocando-se

uma camada de engobe, que não se mostrou eficiente. Por esse motivo, formulou-se

outro vidro, cuja composição é mostrada na tabela 4. A matéria-prima utilizada foi

aquela normalmente empregada na indústria e a fusão foi realizada a 1550 °C , em

forno industrial, junto à Empresa Vidres do Brasil S.A.

Para contornar-se o problema da expansão linear e proporcionar uma

maior resistência química ao vidro, incorporou-se óxidos de metais alcalinoterrosos.

Sabe-se que outros óxidos divalentes ou trivalentes no vidro aumentam ,

consideravelmente, sua resistência química na presença de água. Isso se deve,

principalmente, à presença de cátions de valência superior que determina um reforço

reticular e dificulta a difusão dos íons alcalinos. O ZnO e o Al2O3 são particularmente

eficazes nesta tarefa. O Al2O3 exerce um efeito positivo mesmo participando em

concentrações muito baixas. A entrada do alumínio no retículo vítreo conduz ao

fechamento progressivo das pontes de oxigênio. Em concentrações mais elevadas, a

formação de coordenações octaédricas do alumínio deixa o vidro mais suceptivel ao

ataque químico. A influência da alumina é mais favorável para o ataque com água ou

em meio alcalino do que em meio ácido.

Os melhores resultados conseguem-se, contudo, substituindo parte do SiO2

por outros formadores mais estáveis como o TiO2 e especialmente o ZrO2 (Navarro,

1991). Considerando essas informações, desenvolveu-se a formulação apresentada

na tabela 4, no item 3.2 . Após os testes, utilizando-se microssonda, verificou-se que

o esmalte resultante, apesar de bastante modificado em relação ao primeiro


desenvolvido, continuava a apresentar as propriedades de troca iônica.

As tensões causadas pela diferença entre os coeficientes de dilatação

térmica podem originar defeitos típicos como a gretagem, o lascamento e as

curvaturas. Sempre que duas regiões possuirem coeficientes de dilatação térmica

diferentes, aparecem tensões que objetivam equilibrar as diferentes dilatações e

retrações. Na cerâmica, o esmalte estando aderido na massa, apresenta duas

situações: a massa retrai mais que o esmalte comprimindo-o; ou o esmalte retrai mais

que a massa, realizando um tracionamento.

FIGURA 25 - Peça cerâmica com esmalte a base do vidro BAC-01 com Na e Li.

Se o vidrado expandir-se mais que o corpo no aquecimento, significa que

contrairá mais no resfriamento, e a camada do vidrado ficará sob tração e o substrato

cerâmico sob compressão. Estas condições favorecem o aparecimento do defeito

chamado gretamento. Se a expansão térmica do vidrado é menor que a da massa, o


vidrado estará em compressão e a massa em tração. Neste caso, ao resfriar-se a

massa ela se contrairá mais do que o vidrado e isto podrá ocasionar um lascamento. A

resistência a flexão dos vidrados varia de 300 a 500 kgf/cm2. Sua resistência à

compressão, entretanto, é muito maior, ao redor de 10000 kgf/cm2. Isto explica

porque o gretamento é muito mais freqüente que o lascamento. Logo, por segurança,

deve-se conduzir a formulação de maneira a resultar em um vidrado com menor

coeficiente de dilatação térmica que a massa.

A análise dilatométrica da amostra do vidro BAC-16 que serviu de base para o

esmalte com propriedades de troca iônica, mostrou que a temperatura de transição

vítrea é de 645 °C e o coeficiente de dilatação linear é de 64,3 x 10-7 °C-1. Esse valor

é típico de esmaltes para aplicação em revestimento cerâmico com substrato que

apresentem valores de coeficiente de expansão linear de 70,0 x 10-7 °C-1 a 75,0 x 10-7

°C-1, pois, tendo o coeficiente de expansão linear um pouco menor, sofre compressão

e evita o gretamento. A adequação do coeficiente de expansão térmica para um valor

aceitável foi o primeiro passo no ajuste do esmalte cerâmico. Na Figura 25 observa-se

uma peça na qual empregou-se as fritas a base de Na - Li (BAC-01) para o esmalte e

o gretamento que este sofreu.

O resultado apresentado na Figura 25 fez com que se voltasse a buscar uma

nova formulação para o vidro no qual o coeficiente de expansão térmica fosse mais

adequado à fabricação do esmalte. O resultado do uso deste vidro para a fabricação

das peças pode ser visualizado na Figura 26. Nela, pode-se perceber que já não

ocorreu o efeito de gretamento e se mostrou perfeitamente adequado ao uso para a

fabricação do esmalte cerâmico com propriedades de troca iônica.

Os testes antimicrobianos de contagem de células viáveis demonstraram que

continuava a existir o efeito antimicrobiano, surgiu porém um novo problema que era o

aparecimento de manchas após a troca iônica. Essas manchas possivelmente são

decorrentes da interação da prata com contaminantes existentes na matéria prima,

que resultam na mudança de tonalidade, adquirindo tonalidade amarelada e outras

vezes tonalidade mais escura, marrom.


FIGURA 26 - Esmalte cerâmico a partir da frita Bac- 16.

Com o intuito de contornar esse problema foram desenvolvidos outras formas

de aplicação e tonalidades para o esmalte como pode ser visualizado na Figura 27 A

e B.

Na peça mostrada na Figura 27A a aplicação da frita de troca iônica ocorreu na

forma de granilha, enquanto na peça mostrada na Figura 27B, alterou-se a tonalidade

com o uso de corantes apenas. Dessa forma o problema de manchamento fica

parcialmente encoberto e esteticamente a peça ficou apresentável podendo ser

utilizada sem maiores problemas.


FIGURA 27 A e B - Aspecto das peças desenvolvidas com o intuito de encobrir o

defeito de manchamento


FIGURA 28 - Peça com aplicação do esmalte BAC-16 sobre a peça.

Foram feitas peças onde o esmalte com a propriedade de troca iônica entrou

como aplicação sobre elas. Essa forma de aplicação, apesar de não cobrir em 100% a

superfície da peça, possui uma boa distribuição sobre a mesma e trouxe bons

resultados nos testes antimicrobianos. Na Figura 28, observa-se a fotografia de uma

peça com aplicação de esmalte com a propriedade de troca iônica sobre a mesma.

4.2.1 – RESISTÊNCIA AO ATAQUE QUÍMICO DAS PLACAS CERÂMICAS

ESMALTADAS

As medidas da resistência ao ataque químico das placas cerâmicas foram

realizadas empregando-se a norma NBR 13818 Anexo H. A concentração utilizada foi

de ácidos de baixa concentração, solução de ácido clorídrico 3% (v/v) partes em

volume, preparada a partir de ácido clorídrico concentrado, densidade de 1,19g/cm3. O

tempo de exposição foi de 24 horas.

Na avaliação visual traçou-se três linhas com lápis HB. Os mesmos não foram

totalmente removidos. A norma recomenda para esse caso o uso da avaliação por

reflexão.


A classificação que a norma impõe para a reflexão nítida em exame visual, após

exposição à solução contendo ácido clorídrico a 3% em volume, é a classe B –

Resistência Química Média.

4.2.2 – CARACTERIZAÇÃO DOS VIDROS E DO ESMALTE POR DIFRAÇÃO

DE RAIOS X (DRX)

A caracterização das possíveis fases presentes nos vidros utilizados na

composição do esmalte foi realizada empregando-se a difratometria de raios X. Na

Figura 29 apresenta-se o difratograma do vidro BAC-01. Pode ser observado que o

material mostra-se totalmente amorfo.

FIGURA 29 - Difratograma de raios X da amostra BAC-01.

A ausência de fases ocorre porque na composição química não se tem a

presença de um nucleante, como o titânio ou o óxido de zircônia.

Por outro lado, na Figura 30, observa-se o difratograma do vidro BAC - 16.

Pode ser observado que a mesma apresenta alguns picos referentes as fases ZrSiO4,

Al2O3 e ZnO.

Observa-se, ainda, uma provável fase, Al2TiO5, embora o teor de titânio

apontado pela análise química seja baixo, sua capacidade de nucleação é muito


elevada.

FIGURA 30 - Difratograma do vidro BAC – 16 onde são identificadas algumas fases

cristalinas; 1- ZrSiO4 ; 2- ZnO; 3- Al2O3; 4 – Al2TiO5.

Na figura 31, pode-se observar as fases presentes após a sinterização da peça.

Formaram-se as fases badeilita, cartão 13-0307 JCPDS e, tazeranita cartão 22-0540

JCPDS. O zircônio também é conhecido por precipitar fases muito facilmente (é um

ótimo opacificante).

As fases contendo zircônio também possuem boa resistência química e físicas,

sendo bastante resistentes à abrasão e ao desgaste de maneira geral. Dessa forma se

tem coerência entre a análise química e as fases formadas.


3

FIGURA 31 - Difratograma do esmalte fabricado a partir da vidro BAC -16 já

sinterizado. As fases cristalinas são identificadas como: 1- ZrSiO4 ; 2-

ZnO; 3- Al2O3; 4- Al2TiO5

4.2.3 – CARACTERIZAÇÃO DO ESMALTE UTILIZANDO MICROSCOPIA

ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)

Verificou-se a presença de defeitos na camada vítrea com o uso do MEV. Nas

peças que sofreram manchamento realizou-se um estudo local com o intuito de

determinar as causas. Bernardin (2002), em estudo sobre defeitos de esmaltes

cerâmicos relata diversas hipóteses para que as manchas apareçam no esmalte.

Contudo, deve ser salientado que as manchas aparecem durante o tratamento de

troca iônica. Estas apareceram de maneira aleatória e em algumas peças. Não foi

possivel identificar e/ou eliminar a causa. Possivelmente, sejam resultado da interação

da prata com outro elemento ou composto presente no esmalte em baixissimas

concentrações, pois com o estudo utilizando EDS não foram detectados

contaminantes. Na Figura 32, pode ser observado o aspecto de um corte transversal


de uma peça cerâmica recoberta com o esmalte cuja base foi o vidro BAC-16.

FIGURA 32 - Aspecto transversal da peça cerâmica mostrando a presença de poros

no substrato e na camada vítrea.

4.2.4 CARACTERIZAÇÃO DO ESMALTE UTILIZANDO MICROANÁLISE POR

ENERGIA DISPERSIVA

Após a troca iônica foi de extrema importância o uso da microssonda EDAX

para se traçar o perfil de concentração da prata na peça acabada. Na Figura 33, pode

ser observado o espectro de uma análise por energia dispersiva que traz a

concentração da prata numa profundidade entre 10 a 15 µm a partir da superfície.


FIGURA 33 - Análise por EDAX da amostra de cerâmica com propriedade

antimicrobiana.

Pode-se observar, na Figura 34, o perfil de concentração da prata na peça

cerâmica com propriedades antimicrobianas. Observa-se, ainda, que a concentração

na superfície é alta e que o decaimento acontece segundo as leis da difusão. O

percentual de prata apresentado na Figura 34 não está corrigido, devendo ser

correlacionado com a curva apresentada na Figura 21 para se ter a concentração

real.


FIGURA 34 - Perfil de concentração da peça cerâmica já trocada ionicamente com o

esmalte BAC-16 e com propriedades antimicrobianas.

4.3 - ANÁLISE MICROBIANA

4.3.1 ANÁLISE MICROBIANA POR CONTAGEM DE CÉLULAS VIÁVEIS

Após a análise química do material e identificação das fases formadas, o

comportamento da cerâmica quanto à característica antimicrobiana é de suma

importância, pois é o foco principal deste trabalho. Para a análise das peças utilizou-se

a metodologia da contagem de células viáveis contra o tempo (curva de morte).

Diversas dificuldades surgiram durante o trabalho, que exigiram adaptações na

metodologia utilizada, a fim de manter a confiabilidade nos resultados. Uma das

dificuldades que surgiu foi a desidratação do inóculo depositado sobre as peças.

Diversas tentativas foram efetuadas no intento de resolver o problema. O que surtiu

efeito foi a hidratação continuada, que impediu do substrato secar e, por

conseqüência, distorcer os resultados. As análises microbiológicas foram divididas em

três sub-itens, conforme o acabamento superficial da peça cerâmica:

a) peça lisa: o esmalte antimicrobiano recobre totalmente a peça, ver Fig 26;


b) peça rugosa: o esmalte é colocado em uma granulometria maior, irregular , ver

Figura 27 A;

c) peça com aplicação: o esmalte com a frita de troca iônica não recobre

totalmente a peça cerâmica, ver Figura 28.

Foram testadas quatro espécies de microrganismos nos tempos constantes na tabela

e os números apresentados (CFU) são resultado de uma média de três experimentos

para cada microrganismo. Em todos os tempos foram realizadas duplicatas.

a) Para a peça lisa (ver Figura 26):

Para a bactéria Staphylococcus aureus

Tempo (h) 0 1 2 3 6

Antimicrobiano (CFU) 380 30 8 0 0

Branco (CFU) 350 170 85 98 45

Para a bactéria Escherichia coli

Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 743 187 160 98 59

Para a bactéria Pseudomonas aeruginosa

Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 396 245 184 196 104

Para a levedura Cândida Albicans

Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 135 65 72 45 0

b) Para a peça com granulometria irregular (ver Figura 28-A):



Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 225 154 120 45 0


Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 185 134 77 43 12


Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 195 163 157 103 0


Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 245 93 72 46 4

c)Para a peça com aplicações (ver Figura 29):


Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 394 320 200 91 33


Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 269 209 124 115 66



Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 284 227 85 83 41


Tempo (h) 0 1 2 3 6


Branco (CFU) 264 87 56 35 0

Considerando os resultados acima descritos pode-se analisar que os mesmos

são bastante satisfatórios, haja vista que na grande maioria dos ensaios com o tempo

de seis horas os microrganismos expostos na peça bactericida não sobreviveram.

Ocorreram variações entre os resultados, que podem ter muitos motivos, pois as

variáveis envolvidas são muitas. Apesar do cuidado nos procedimentos os

microrganismos são susceptíveis a sofrerem influências externas, e algumas delas

difíceis de serem controladas. Comparando as amostras, a peça lisa obteve o melhor

resultado. Uma das causas é que o espalhamento do inóculo na superfície era melhor.

4.4 – PERDA DE EFICIÊNCIA COM ATAQUE QUÍMICO

Os microrganismos ao entrarem em contato com os íons metálicos absorvem-

nos e estes sofrem passivação, pois se ligam ao enxofre presente nas enzimas,

formando sulfetos que são estáveis. Outro fator que deve ser levado em consideração

são os produtos de limpeza. Afinal, uma das maiores justificativas para o uso da

cerâmica de revestimento é a facilidade para se efetuar a limpeza. É normal, durante o

processo de limpeza de ambientes, o uso de produtos que auxiliam na tarefa. Muitos

produtos de limpeza trazem o cloro na formulação e optou-se por efetuar-se testes

para ver se ocorria a passivação do efeito microbiológico com o uso do mesmo.

Realizou-se a exposição das amostras à solução de cloro com concentração de 0,1M

e, posteriormente, uma cuidadosa limpeza e secagem. Procedeu-se o teste


microbiológico de contagem de células viáveis. Repetiram-se essas exposições por

cinco vezes Os resultados estão colocados na tabela e depois em gráfico, na Figura

33.

TABELA 6 - Dados referentes à contagem de células viáveis de Staphylococcus

aureus em peças expostas à uma solução com cloro.

TEMPO (h) T(0) T(1) T(2) T(3) T(6)

Exposição no 1 (CFU) 265 74 16 0 0

Peça bactericida sem Cloro (CFU) 268 52 28 0 0

Peça sem ação bactericida (CFU) 296 115 72 19 0

Exposição no 2 (CFU) 132 81 80 34 0



Exposição no 3 (CFU) 384 253 265 182 25



Exposição no 4 (CFU) 180 125 87 32 0



Exposição no 5 (CFU) 228 146 125 76 18



Deve-se chamar atenção para o fato de que o número de células de partida

modifica-se, pois apesar de ter-se um padrão comparativo (MacFarland 0,5), não é um

número determinista, mas uma aproximação. Isso, de certa forma, prejudica a

percepção da ocorrencia ou não da passivação do efeito. Entretanto, dois resultados

no tempo 6 horas apresentam microrganismos sobreviventes. Esse resultado, com

raras exceções não foi encontrado anteriormente quando não se colocou o cloro. A

comparação com esta peça bactericida, onde não foi colocado cloro, revela que há

uma perda de eficiência.


0 1 2 3 4 5 60

50

100

150

200

250

300

350

400CÉ

LULA

S VI

ÁVEI

S

(CFU

/mL)

TEM PO (h)

4

2

5

3

1

FIGURA 35 - Contagem das células viáveis contra o tempo com exposição das peças

ao cloro. O número em frente às curvas corresponde ao número de vezes

de exposição da peça ao cloro.

A dispersão dos resultados torna difícil o equacionamento do comportamento desta

perda por ataque químico. Pode-se, assim, aventar a possibilidade de que esteja

existindo efeito do cloro, mas é um resultado preliminar, no qual ainda não se

compreende a cinética com que acontece esse efeito.

4.5 – ASPECTO INÉDITO DO TRABALHO O aspecto inédito do processo de fabricação de cerâmicas com propriedades

antimicrobianas foi salientado pelos pedidos de patente de invenção:

- “PRODUÇÃO DE CERÂMICAS ANTIMICROBIANAS PELO PROCESSO DE

TROCA IÔNICA”.

Outros pedidos de patente já encaminhados e decorrentes deste trabalho são


intitulados:

- “PRODUÇÃO DE ADITIVO CERÂMICO E VITROCERÂMICO

ANTIMICROBIANO PELO PROCESSO DE TROCA IÔNICA”.

- “PRODUÇÃO DE GRÊS PORCELANATO ANTIMICROBIANO PELO

PROCESSO DE TROCA IÔNICA”.

CAPÍTULO 5

5. CONCLUSÕES Os estudos realizados para o desenvolvimento de processo para a fabricação de

cerâmicas com propriedades antimicrobianas levaram às seguintes conclusões:

1. O vidro que contém um percentual acima de 10% de Na+ realiza a troca iônica

com o íon Ag+. Essa constatação pode ser decorrente da relativa mobilidade que

os íons Na+ possuem na rede do vidro. Observando esse detalhe na formulação

é possível fabricar uma frita para servir como componente majoritário no esmalte

de uma cerâmica com propriedades antimicrobianas.

2. O vidro que passou pelo processo de troca iônica (íons sódio sendo trocados

pelos íons Ag+) possui propriedade bactericida/bacteriostática. A prata é um dos

elementos que possuem efeito oligodinâmico. Contudo, deve estar na forma

iônica para que tenha uma eficiência maior.

3. A troca iônica deve ser realizada em etapa posterior à sinterização do substrato

+ o esmalte. Com o tratamento térmico acima de 470 °C ocorre a passagem de

prata iônica para prata metálica, o que diminui o efeito bactericida, pois ocorre a

passagem do íon para prata atômica e a formação de cristais de prata metálica.

4. O tempo de troca iônica não deve exceder a duas horas, pois os íons Ag+

migram da superfície para o interior do vidro trazendo uma diminuição no efeito

antimicrobiano.

5. A eficiência da troca iônica a 430°C e por duas horas para diversas

concentrações iniciais da pasta trocadora de íons foi de 20%.

CONCLUSÕES 75

6. A concentração ideal da pasta para a troca iônica é de 2% de nitrato de prata e

98% de nitrato de sódio. Deve ser adicionada água para poder espalhar sobre a

peça por aplicação em campana.

7. A resistência química da peça cerâmica na qual se utilizou o vidro BAC-16 foi

classificada como Classe B – Resistência Química Média.

8. A presença de fases cristalinas no esmalte não diminuem significativamente o

efeito antimicrobiano. O sódio apesar de presente em grande quantidade não

participa das fases que foram identificadas como: ZrSiO4 , ZnO, Al2O3, Al2TiO5.

9. Existe uma passivação dos íons prata com a aplicação de produtos contendo

cloro e/ou com o tempo, embora com cinética ainda desconhecida.

10. Os métodos microbiológicos para análise de materiais cerâmicos devem ser

adaptados, pois os existentes não se mostraram eficientes quando aplicados

diretamente.

6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Para dar prosseguimento ao presente estudo sugere-se os seguintes tópicos:

1. Testar elementos metálicos que possuam efeito oligodinâmico para troca iônica,

buscando formulação que otimize a troca.

2. Estudo da cinética do decaimento das propriedades antimicrobianas, diante de

outras variáveis que poderão surgir durante a utilização normal das peças

cerâmicas.

3. Testes do vidro trocado ionicamente na confecção de filtros de água.

4. Estudo do comportamento da adição de prata vinda de outras compostos com

ponto de fusão próximo ao ponto de sinterização da cerâmica, com o objetivo de

realizar uma só queima.

5. Testar o vidro como aditivo antimicrobiano em materiais poliméricos e

odontológicos.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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APÊNDICES APÊNDICE I

METODOLOGIA PARA TESTE DE VIDROS E CERÂMICAS COM PROPRIEDADES ANTIMICROBIANAS

1) Resumo: É especificada uma metodologia de testes para análises qualitativas de acordo

com a existência de halo, para atividades de cerâmicas aplicadas com fins bactericidas.

2) Definições: Para os propósitos deste trabalho os termos seguintes são assim definidos:

a) Halo: após a incubação a área limpa de crescimento de bactéria ao redor da

amostra em que os agentes antibacterianos estão atuando e se difundem

através do meio de cultura (Agar), formando uma zona de inibição.

b) Atividade antibacteriana: a propriedade para inibir o crescimento da bactéria ou

de matar a mesma.

c) Concentração inibitória mínima (CIM): a menor concentração de um principio

ativo em µg/ml, que inibe o crescimento in vitro dos microrganismos.

d) Concentração bactericida mínima (CBM): é a menor concentração em µg/ml,

que mata o microrganismo em estudo.

3) Organismos de teste: As classes de bactérias a serem usadas para o teste podem ser as

seguintes:

a) Staphylococcus aureus;

b) Escherichia coli;

c) Bacillus cereus;

APÊNDICES 84

d) Pseudomonas aeruginosa;

Observação: As linhagens de bactérias para o teste devem ser registradas no

American Type Culture Collection (ATCC).

4) Preparação para o teste:

4.1 – Condições de manuseio para a bactéria: Quando manusear as bactérias,

levante as mangas acima dos cotovelos, lave as mãos com sabão e água; desinfete as

mãos e os braços com gaze imersa em solução alcoólica iodada com 10ml de tintura de

iodo para 1000 ml de álcool etílico comercial. A composição da tintura de iodo é: 10g de

iodo, 15g de iodeto de potássio e 100ml de álcool etílico.

4.2 – Materiais, produtos químicos e equipamentos:

• Álcool etílico: (C2H5OH);

• Plate Count Agar;

• Brain Heart Infusion;

• Cloreto de Sódio;

• Swab;

• Água Purificada:

• Água potável;

• Discos de Petri;

• Autoclave;

• Laço de Platina;

4.3 Método de Esterilização: 4.3.1 Esterilização a alta pressão de vapor (autoclave): - O conjunto de prateleiras não deve tocar a água do fundo;

- Os meios de cultura devem estar tampados com uma bucha de algodão;

- Todo o material a ser esterilizado deve ser embrulhado com papel Kraft e depois

APÊNDICES 85

colocado nas prateleiras da autoclave;

- A válvula da autoclave deve ser mantida aberta no ínicio do aquecimento até que

o ar saia do interior.

- O material deve ser mantido em esterilização por 15 minutos a 120 oC e

103kPa/cm2.

- A autoclave não deve ser despressurizada pela abertura da válvula, para evitar a

ebulição da água e dos meios de cultura.

4.3.2 Esterilização por chama: - Coloque o material a ser utilizado na chama do gás no bico de Bussen. No caso

do laço de platina a cor do mesmo deve ir ao rubro, mantendo-o por 2 a 3

segundos. Com vidros mantenha-os também na chama por dois a três segundos.

4.4 Preparação dos Equipamentos:

Primeiramente lave cuidadosamente os tubos de vidro, os frascos, os frascos de

Erlenmeyer, as pipetas, etc. com água e sabão, após enxágüe cuidadosamente duas

vezes, seque na estufa. Embrulhe as mesmas em papel Kraft e posteriormente coloque

na autoclave e realize o procedimento descrito no item 4.3.1. Após retire o material

deixe-o secar em estufa até o uso.

Para esse teste especificamente as placas de Petri devem ter na sua parte

interna dois discos de papel filtro, ver figura 1, com o objetivo de absorver a umidade

proveniente da atividade microbiológica e que uma vez condensado na tampa da placa

precipitaria no Agar, tendo em vista a impossibilidade de virar a placa, pois as peças

cairiam. Cortam-se dois discos de papel filtro e com uma fita crepe se fixa na tampa da

placa de Petri.

APÊNDICES

86

Papel Filtro

Plate Count Agar

Figura 1: desenho esquemático da disposição do agar e do papel filtro

dentro da placa de Petri.

4.5 Meio de Crescimento e de Cultura:

4.5.1 Agar Plate Count: Em função do número de amostras será preparado o

meio de cultura, pois se deve evitar que o mesmo fique preparado por vários dias. No

preparo do mesmo deve ser levado em conta a quantidade de Agar por mililitro

(informação contida no frasco de cada marca), e a partir dessa quantidade se faz uma

relação com a quantidade a ser utilizada. Pesa-se a quantidade do Agar e se adiciona

água destilada. São utilizados 15 ml para cada placa. Após a mistura o mesmo é diluído

aquecendo-se em forno de microondas até formar uma mistura homogênea e

transparente. Deve-se ter cuidado para a solução não entrar em ebulição. Após é

levado para a autoclave para a esterilização conforme a metodologia descrita no item

4.3.1.

Depois da autoclavagem e com a temperatura entre 45 °C a 55°C o meio é

distribuído nas placas de petri (15ml por placa), utilizando-se uma capela de fluxo

laminar, estéril e armazenado em geladeira a 5oC até a utilização. É recomendável

ainda que o meio seja preparado um dia antes da utilização, pois facilitará o manuseio.

O meio deve ser retirado da geladeira no mínimo 1h antes da inoculação. Recomenda-

se que o tempo de armazenagem não ultrapasse uma semana.

4.5.2 Meio de Cultura Agar Comum: Tome 5 g de extrato de carne, 10g de peptonada, 5g de cloreto de sódio, 15 g de agar e junte a 1000ml de água purificada , ponha dentro de um frasco para misturar, aqueça em banho maria até que o conteúdo esteja

suficientemente dissolvido. Após ajuste o pH 7,0 ± 0.2 pela adição de hidróxido de sódio de 0,1mol (1/10 N) . Após tampe com algodão e leve para a autoclave. Siga o

APÊNDICES 87

procedimento 4.3.1. Se for inocular imediatamente, mantenha a 48°C. Se não utilizado

imediatamente após o preparo, estoque em geladeira a 5°C -10°C. O meio de cultura Agar comum preparado por tempo superior a um mês não deve ser utilizado neste teste. 4.5.3 Caldo Mili-Hinton: Dissolva o caldo conforme procedimento descrito pelo fabricante e de uso rotineiro nos laboratórios de microbiologia. 4.5.4 Solução fisiológica Salina: Pesa-se 0,9 % de NaCl e dilui-se em 100ml de água destilada. Após se distribui em frascos 4,5ml e 10ml. Depois leva-se para autoclave e emprega-se a metodologia descrita no item 4.3.1. A solução deve ser resfriada ao ar em temperatura ambiente. 4.7 Preparação dos Corpos de Prova: Os corpos de prova podem ter duas formas: Forma Cilíndrica: recorta-se um disco de cerâmica com diâmetro de dois cm. Forma Retangular: recorta-se um retângulo com um lado de 2cm e o outro lado com 1,5 cm. Os corpos de prova ficam mais uniformes se a fusão do vidro ocorre em cadinho que tenha as dimensões exigidas. O uso de cadinho de grafite é indicado. 5.0 Procedimento para o teste:

5.1 Diluição :

Com a finalidade de deixar a solução contendo as bactérias em um número ideal (ao redor de 5 x 106 bactérias por ml) o seguinte procedimento é efetuado: -Das colônias congeladas em caldo BHI retira-se 0,3 ml e passa-se para caldo BHI

estéril. Deixar em estufa a 35°C por 24h.

APÊNDICES 88

0,02

Solução Fisiológica

Uma

colônia

Uma alça deplatina

Agar Sangue Caldo BHI

3ml

Bactérias emcaldo BHIcongeladas

Caldo BHI

Figura 2: desenho esquemático do procedimento utilizado para a diluição inicial

das bactérias. Retira-se uma alça de platina e semeia-se com esgotamento em Agar sangue. O

objetivo deste procedimento é verificar a pureza e isolar uma colônia. Toma-se uma

colônia coloca-se no caldo BHI e deixa-se crescer em estufa por 35°C.

-Toma-se do caldo de crescimento 1, 200µl. Dilui-se esses 200 µl em um tubo

de solução fisiológica contendo 10 ml (diluição de 1 : 500);

- Retira-se 0,5 ml e dilui-se em 4,5ml de solução fisiológica (diluição de 1: 5000). Da

diluição anterior retira-se 0,5ml e passa para 4,5 ml de salina, (diluição de 1 : 50000); O

procedimento prossegue até se chegar à diluição 1:500000.

Na figura dois está ilustrado o procedimento todo de diluição.

APÊNDICES 89

Inoculação: Utilizando a concentração equivalente à turvação 0,5 da escala Mc

Farland, ou ajustando-se através da diluições seriadas, para uma concentração inicial

de 106 colônias por ml, apanha-se um swab e mergulha-se no tubo com as bactérias,

impregnando-se bem o algodão, fazendo a haste girar nos dois sentidos. Retira-se o

excesso, pressionando o swab levemente contra o frasco e então inocula-se por toda a

placa cobrindo a superfície da mesma de maneira uniforme girando a placa de 45 graus

toda vez que chegar ao final da mesma. Repetir o procedimento por três vezes.

Figura 3 – Desenho esquemático da disposição

das peças cerâmicas dentro da placa de petri.

9

1cm 2cm 3cm 2cm

Amostra com

Atividade

Amostra sem Atividade

( Branco)

Deposição Dos Corpos de Prova: Com o uso de uma pinça esterilizada coloca-se a peça com atividade em um

lado da placa um pouco afastado da borda. No outro lado coloca-se uma peça sem

atividade, para fins comparativos (branco)..

APÊNDICES 90

Figura 4 – Desenho esquemático mostrando o halo de inibição do crescimento

bacteriano ao redor de uma peça cerâmica com efeito bactericida.

Colônia de Bactérias

Halo

Cerâmica

Pode-se observar na figura 3 a disposição das peças no interior de uma

placa de Petri, inoculada. Resultados: Os Resultados são qualitativos, e a presença de um halo de inibição indica a atividade

antibacteriana das amostras cerâmicas. Quando esse halo não é detectado, significa

que essa peça em particular não tem efeito inibitório sobre o crescimento das bactérias.

Pode-se observar na figura 4 um desenho esquemático onde é mostrado como ficaria

a cerâmica com a presença do halo, que confirma a atividade antimicrobiana.

Os resultados devem ser fotografados (dar preferência por câmeras digitais), para

uma análise posterior no analisador de imagens. Essa análise deve ser realizada

obrigatoriamente quando a peça não possuir forma regular. O objetivo da ánalise de

imagens é a relação entre as áreas da peça e do halo de inibição. As fotografias devem

sempre ser referenciadas a uma escala graduada (colocar uma régua ao lado da placa

de petri quando estiver fazendo a foto para ser facilmente trabalhada no analisador de

imagens.

APÊNDICES 91

PROVA DE SENSIBILIDADE POR DILUIÇÃO EM CALDO

Devem ser utilizados 10 tubos contendo 4,5 ml de BHI. A cada tubo adiciona-se

uma quantidade do agente antimicrobiano. Normalmente se emprega um fator de

divisão por dois ou raiz de três, por exemplo. Na figura 5 o desenho esquemático de


concentração inibitória mínima mostrada aqui é de 6,25µg/ml.

dez tubos contendo caldo nutritivo. A cada tubo deve ser acrescentado uma quantidade

do vidro já trocado com a prata. O vidro deve ser moído até passar em peneira de 325

mesch, isso corresponde a partículas com diâmetro médio inferior a 45µ. O tubo 10 não

contém o princípio ativo e serve como um controle de crescimento. Os meios devem ser

inoculados com uma suspensão de microrganismos e incubados a 35°C durante 18

horas. No final deste período os meios devem ser examinados visualmente para

comprovar a presença de turvação. Observa-se no desenho esquemático da figura 5

que os cinco tubos da esquerda contém um meio turvo enquanto os da direita o meio

está claro. A turvação indica que houve crescimento dos microrganismos.

A concentração bactericida mínima (CBM), em comparação com a CIM, é a menor

concentração em µg/ml, que mata o microrganismo em estudo. A solução (meio de

crescimento + princípio ativo) após 18h deve ser semeada em placas (uma placa

correspondente a cada tubo). Após as placas devem permanecer por dezoito horas em

estufa a 35°C. Depois desse tempo deve ser observado o crescimento ou não das

APÊNDICES

92

colônias. Na placa onde não cresceram nenhuma colônia é a corresponde à

concentração bactericida mínima.

CONTAGEM DE CÉLULAS VIÁVEIS:

A peça cerâmica deve ser dividida em seis partes, sendo feito um círculo com

aproximadamente 2cm de raio em cada parte. Posteriormente devem ser pipetados

200µl da suspensão bacteriana diluída até 10-4 em relação a escala 0,5 de Mac-

Farland e esta depositada no interior do círculo sobre a peça. Após, com a ponteira da

micropipeta a amostra deve ser espalhada cobrindo toda a área. Nos intervalos de

tempo pré-determinado (0,1,2,3,6 h) o material depositado sobre as peças deve ser

recuperado com o auxílio de um swab estéril, e recolhido em 4,5 ml de solução

fisiológica. Em seguida transfere-se 200µl da suspensão para placas com plate count

Agar, sendo espalhados sobre a superfície com auxílio de uma alça de Brigalski.

Coloca-se em estufa por 18 horas a 36 °C e procede-se a leitura utilizando uma lupa e

um contador de colônias. Simultaneamente deve ser realizado também o controle de

crescimento microbiano da peça sem o princípio ativo (branco).

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