1. Introdução
1.2. Sílica mesoporosa: classificação, histórico, síntese e interações químicas
1.2.4. O método de Stober modificado e a construção hierárquica das
do Laboratório de Química do Estado Sólido
O método de Stober13 é um processo de obtenção de partículas de sílica (não necessariamente nanométricas) na ausência de um molde orgânico e na presença do catalisador de amônia, que induz a formação de estruturas esféricas. A síntese da MCM-41, por sua vez, emprega soft templates cilíndricos para gerar um material mesoporoso hexagonal detendo cavidades, consequentemente, cilíndricas e paralelas. A compreensão de ambos os processos e materiais finais é importante para entender o desenvolvimento das nanopartículas de sílica propostas no presente trabalho, visto que são produzidas através de um procedimento sintético denominado método de Stober modificado. Nessa metodologia são empregados os mesmos componentes de partida abrangidos na síntese de Stober, no entanto, empregam-se moldes orgânicos esféricos para a produção de nanopartículas de sílica monodispersa. Note que, tal como para a obtenção da MCM-41, um soft template é utilizado (muito embora a morfologia não seja a mesma) e semelhantemente ao método de Stober, TEOS, etanol e amônia são empregados. Além disso, a referida modificação no método de Stober é emblemática no que se refere à síntese de partículas de sílica monodispersas e no domínio nanométrico.
Seguindo-se uma abordagem histórica, existem procedimentos sintéticos abrangendo a síntese de nanopartículas de sílica utilizando-se TEOS e etanol em pequenas quantidades (componentes diluídos) e aumentando-se a concentração de NH3, cujo objetivo é a obtenção de nanopartículas esféricas de tamanho e
porosidade controlados30. Entretanto, soluções diluídas dos ésteres de silício e álcool etílico não produzem eficientemente nanopartículas esféricas, podendo seu tamanho ser distorcido, o que gera uma deficiência no método. Levando-se tal fato em consideração, a solução foi sintetizar nanopartículas esféricas detendo poros aleatórios, isentos de determinada ordenação, baseando-se em estudos da literatura focados na síntese de nanopartículas coloidais de tamanhos variando de 40 a 100 nm através do método sol-gel, conforme observado nos trabalhos
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semelhantes ao de Moller e colaboradores31. A partir desses trabalhos bem como a utilização do método de Stober com suas modificações, foi possível sintetizar nanocarreadores de sílica mesoporosa.
É importante frisar a importância da síntese das nanopartículas de sílica coloidais de maneira hierárquica, isto é, garantir a funcionalização de determinados organosilanos especificamente na superfície interna das nanopartículas, seguida do fenômeno de nucleação, caracterizado pelo aumento da parede de sílica que separa o ambiente interno do externo de acordo com o tempo de reação. A síntese é finalizada através da funcionalização de outro silano especificamente na superfície externa da nanopartícula. Esse processo implica na adição sequencial das espécies químicas envolvidas na formação das nanopartículas como um todo. Hierarquicamente, a síntese é iniciada com o surfactante, o silano a ser disposto internamente no colóide esférico, a fonte de silício que formará a parede inorgânica e o catalisador. Após esse processo, é implementada uma quantidade adicional dos precursores formadores da parede mineral controlando-se o tempo, de modo que a polimerização excessiva (excesso no tempo reacional) ou precária (escassez de tempo de reação) sejam evitadas, pois promovem a formação de paredes de sílica muito espessas e significativamente finas, respectivamente. Portanto, faz-se necessário um adequado controle de tempo de nucleação. Após a formação do compartimento interno devidamente separado do meio externo pela parede de sílica já nucleada segundo os parâmetros reacionais (tempo e temperatura de reação), a funcionalização da superfície externa pode ser efetuada com o organosilano de interesse, seguida da remoção do soft template. Na literatura já são descritos métodos de funcionalização hierárquica de acordo com as descrições desse parágrafo32,33.
De maneira detalhada e sequencial, a síntese das nanoparticulas é iniciada através do processo de co-condensação envolvendo o TEOS, compreendendo a fonte inorgânica de sílica, o silano feniltrietoxisilano (PTES) contendo o grupo fenil hidrofóbico que se localiza na superfície interna da sílica, o surfactante CTAB, cuja função é formar micelas esféricas atuando como molde, o hidróxido de amônio
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aquoso como catalisador e o etanol como solvente reacional. A Figura 9 apresenta a estrutura molecular dos componentes mencionados.
Figura 9: Estrutura molecular do PTES (a), do TEOS (b) e CTAB (c)
No processo de co-condensação o TEOS e PTES sofrem hidrólise mutuamente e iniciam sua polimerização ao redor das micelas, de modo que a sílica carregada negativamente interage eletrostaticamente com a superfície micelar carregada positivamente e os grupos fenila se arranjam no interior dos pequenos espaços entre as caudas hidrofóbicas dos surfactantes. Essa situação pode ser melhor observada na Figura 10.
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Figura 10: Arranjo dos grupos fenila nos espaços entre as moléculas de CTAB
Após essa etapa, uma determinada quantidade de TEOS é adicionada novamente de modo a aumentar a espessura da camada inorgânica de sílica, separando efetivamente o interior hidrofóbico do meio externo hidrofílico8. Dessa forma, obtém-se a nanopartícula de partida, denominada NPH30-CTAB-SiOH, conforme indicada na Figura 11.
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Após a formação da nanopartícula contendo o grupo fenila no interior da esfera de sílica, a superfície externa é também submetida a um novo processo de funcionalização (pós funcionalização), cujo objetivo é inserir funções orgânicas que conferem novas propriedades aos referidos veículos moleculares, conforme observado na Figura 12. Na imagem, o grupo R indicado na nanopartícula representa qualquer função orgânica a ser enxertada na superfície externa através de um organosilano previamente condensado.
Figura 12: Imagem representativa da nanopartícula funcionalizada externamente
Conforme sugerido na estrutura da nanopartícula na figura acima a principal estratégia é sintetizar nanopartículas antagônicas, isto é, abrangendo interior hidrofóbico e superfície externa hidrofílica devido às aplicações nas quais são esperadas – a justificativa dessa meta encontra-se descrita adiante em detalhes. Na literatura, os silanos que participam desse processo possuem estruturas semelhantes ao PTES, diferindo apenas no grupo radical R, que pode compreender grupos aminopropril, mercaptopropil (de fórmula geral RTES, conforme discutido sobre modificação superficial anteriormente).32,33,34
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Tratando-se do presente trabalho, os principais silanos envolvidos nas funcionalizações superficiais externas são compostos cujos grupos R abrangem funções orgânicas estratégicas, tais como o glicidoxipropiltrimetoxi silano (silano GPS), bem como funções fundamentais para aquisição de novas propriedades químicas importantes, constituindo o 2-[metoxi(polietilenoxi)propil]trimetoxisilano (silano PEG10). Note que o sub índice “10” representa o número médio de
monômeros de etilenoglicol na cadeia (n = 10). As estruturas químicas de ambas as espécies químicas podem ser visualizadas na Figura 13. O silano GPS é utilizado com intermediário para reações químicas secundárias conforme discutido adiante.
Após a funcionalização externa das nanopartículas o molde orgânico é removido por extração com solução etanólica de HCl e sonicação conforme já discutido.
Figura 13:Estrutura molecular dos silanos utilizados no presente trabalho
De maneira geral e simplificada, o processo de construção hierárquica das nanopartículas pode ser visualizado na Figura 14. Note que inicialmente tem-se a co-condensação do TEOS e PTES ao redor do molde orgânico, o processo de nucleação com adições extra de TEOS e a funcionalização externa com um silano de interesse RTES.
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Figura 14: Representação da síntese de nanopartículas e sua funcionalização.
Os veículos moleculares desenvolvidos no presente trabalho apresentam potencial aplicação como carreadores de fármacos antitumorais e, como tal, devem deter capacidade de aprisionar um fármaco em seu interior para posterior entrega à célula cancerígena e estabilidade coloidal no sangue para garantia de alcance ao alvo biológico. Nesse contexto, é notória a importância da presença dos grupos fenila internos em virtude do seu caráter hidrofóbico semelhante aos fármacos antitumorais que também apresentam essa característica, acarretando em forte interação de Van der Waals entre ambas as espécies químicas e, consequentemente, favorecendo sua efetiva inserção e armazenamento no interior da nanoestrutura. O PEG (hidrofílico), externamente, contribuirá para a estabilidade coloidal para transporte em via intravenosa, visto que o sangue detém características hidrofílicas. Além disso, o polietilenoglicol contribui também para “amenizar” a interação proteína/nanopartícula, principalmente aquelas envolvidas no reconhecimento e retirada de agentes supostamente estranhos no sangue, tal como ocorre no sistema imunológico. As informações acima reforçam a necessidade do desenvolvimento de nanopartículas detendo características antagônicas (contendo superfície interna hidrofóbica e superfície externa hidrofílica)
No intuito de reconhecer a importância dos grupos fenila e o PEG frente à sua inserção na superfície da sílica aplicada ao tratamento do câncer, os tópicos adiante abrangerão a ação dos principais fármacos no combate a essa doença, os tipos de materiais inteligentes carreadores desses fármacos e os desafios
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envolvidos no desenvolvimento das nanopartículas, contextualizando a autonomia do polietilenoglicol no processo de injeção intravenosa da sílica funcionalizada.