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LEANDRO CARNEIRO FONSECA
MODIFICAÇÃO SUPERFICIAL DE VEÍCULOS MOLECULARES À BASE DE NANOPARTÍCULAS DE SÍLICA MESOPOROSA
CAMPINAS 2014
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA
LEANDRO CARNEIRO FONSECA
MODIFICAÇÃO SUPERFICIAL DE VEÍCULOS MOLECULARES À BASE DE NANOPARTÍCULAS DE SÍLICA MESOPOROSA
ORIENTADOR: PROF. DR. OSWALDO LUIZ ALVES
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA AO INSTITUTO DE QUÍMICA DA UNICAMP PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM QUÍMICA NA ÁREA DE QUÍMICA INORGÂNICA
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA
POR LEANDRO CARNEIRO FONSECA, E ORIENTADA PELO PROF.DR. OSWALDO LUIZ ALVES.
_______________________ Assinatura do Orientador
CAMPINAS 2014
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DEDICATÓRIA
Em memória à minha tia Denise Santos Carneiro, fonte de
inspiração, e motivação para minha contribuição científica
na Química aplicada ao Câncer
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“O ser humano é uma parte do todo o que chamamos
universo, uma parte limitada no tempo e no espaço. Ele
concebe a si mesmo, as suas ideias e sentimentos como algo
separado de todo o resto - numa espécie de ilusão de ótica de
sua consciência. E essa ilusão um tipo de prisão que nos
restringe aos nossos desejos pessoais e reserva a nossa afeição
a algumas poucas pessoas mais próximas de nós.
Nossa principal tarefa é a de nos livrarmos dessa prisão,
ampliando o nosso círculo de compaixão, para que ele abranja
todos os seres vivos e toda a natureza em sua beleza.”
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AGRADECIMENTOS
Aos meus pais Gisele e Marco Aurélio, pelos ensinamentos, criação, educação, conselhos e apoio que me proporcionaram crescimento pessoal e profissional, proporcionando a mim mais essa conquista e o atual patamar de vida. Onde quer que passo faço menção a esse tesouro que possuo. Sou eternamente grato a vocês.
Aos meus irmãos Adler, Thainá e Juninho, tios Miguel, Márcia e Thersio, meus primos Dhuan, Tales e William e vós Natalia e Jinalva, pelo apoio, momentos de descontração e energia que me proporcionam.
Ao grande cientista e orientador Professor Oswaldo Luiz Alves, pela orientação, ensinamentos, aprendizado, oportunidades, amizade e conselhos. Agradeço pela visão plena do que é fazer ciência, responsabilidade social e amadurecimento científico durante o meu período de mestrado.
Ao Amauri de Paula, pela amizade, contribuição significativa para o desenvolvimento desse trabalho, pelos momentos de descontração e reflexões científicas.
Aos Professores Edvaldo Sabadini, Ítalo Mazali e Daniela Zanchet pelo conhecimento e visão científica fundamentais para o desenvolvimento desse trabalho.
Aos grandes amigos que tive a oportunidade de conhecer no Instituto de Química: Mateus Batista, Ana Carolina Mazarin, Luis Visani, Camila Pedroso, Paulo Sérgio Amaral, Rafaella do Nascimento, Diego Stéfani, Ricardo Milian e Yodalgis Mosqueda.
Aos grandes companheiros de república Rafael Felipe (goiano), Bruce Guimarães, Cléber Barros, Rodrigo Reigota, Diego Chavez (muchacho), Victor Alves (Vitão),
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Cristiano, Charles, Jonas e Cássio, pela agradável convivência e companhia nos momentos de lazer em Campinas.
Aos meus compadres Wagner Gonzaga e Jéssica Ispada, pela emblemática amizade, conselhos, grandes momentos de descontração, confiança e apoio e à Andreza Ishikawa, pela preciosa amizade, conversas intermináveis à longa distância e pela sua própria essência de pessoa que me inspira dia-a-dia.
Aos meus grandes amigos da Praia Grande Marcus Casasco, Emile Casasco, Fabio Gusmão, Daniel Nunes, Liz Barreti e Flavio Uliana pela amizade de longa data, distrações “sarristas” e “zoeiras” (ao modo caiçara) que ninguém externo compreende e pelos “rolês” estilo balada, café, cultural e musical que eu deixo à escolha do leitor.
Aos professores e funcionários do Instituto de Química cujos trabalhos refletem a qualidade, excelência e referência dessa renomada faculdade e, por conseguinte, o patamar de alto nível de Pesquisa e Inovação no qual a Universidade Estadual de Campinas está incluída.
Á CAPES pelo financiamento da minha bolsa de estudos.
Por fim, àqueles que não foram citados e que fazem parte do meu contexto pessoal e profissional, por contribuir direta ou indiretamente para o desenvolvimento desse trabalho e pelo conhecimento acadêmico que adquiri nesses últimos anos produtivos.
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Súmula Curricular
Dados Pessoais
Nome: Leandro Carneiro Fonseca Email: leandro.fonseca89@gmail.com
Formação Acadêmica
Mestrado em Química (Agosto/2012 – Julho/2014) Área: Química Inorgânica
Local: Laboratório de Química do Estado Sólido (LQES), Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas, São Paulo Brasil.
Título da Dissertação: Modificação Superficial de Veículos Moleculares à Base de Nanopartículas de Sílica Mesoporosa
Orientador: Oswaldo Luiz Alvez
Bacharelado em Química (Março/2007 – Dezembro/2011)
Local: Laboratório de Materiais Híbridos (LMH), Instituto de Ciências Ambientais, Químicas e Farmacêuticas, Universidade Federal de São Paulo, Diadema, São Paulo, Brasil.
Produção Bibliográfica
Artigos Científicos
1. Paula, A. J.; Silveira, C. ; Martinez, D. S. T.; Souza Filho, A. G.; Villata Romero, F.; Fonseca, L. C.; Tasic, L.; Alves, O. L.; Duran, N., Topography-driven bionano-interactions on colloidal silica nanoparticles. Appl. Mater. Interf., v. 6, p.3437-3447, 2014-05-18
2. Fonseca, L. C.; Faez, R.; Camilo, F. F.; Bizeto, M. A., Evaluation of doping process of polyaniline produced inside the mesopores of a sulfonic acid grafted MCM-41. Microp. Mesop. Mater. v.159, p.24-29, 2012.
xiv Capítulos de livros publicados
1. Alves, O. L.; Moraes, A. C. M.; Simões, M. B.; Fonseca, L. C.; Nascimento, R. O.; Holtz, R. D.; Faria, A. F. Nanomaterials. Nanomedicine and Nanotoxicology. 1ed.: Springer New York, p. 1-29, 2014.
Trabalhos em Congressos
1. Fonseca, L. C. ; Paula, A. J. ; Martinez, D. S. T.; Alves, O. L. Surface Modification of Silica Based Mesoporous Nanoparticles for Application as Molecular Vehicle. Em: 1st International Symposium on Nanoparticles/Nanomaterials and Applications, 2014, Caparica, Portugal
2. Fonseca, L. C. ; Paula, A. J. ; Martinez, D. S. T.; Alves, O. L. Surface Modification of Silica Based Mesoporous Nanoparticles for Application as Molecular Vehicle. Em: Workshop on Sol-Gel Chemistry and Processes for Ceramic, Composite and Inorganic-Organic Hybrid Materials., 2013, São Carlos, Brasil.
3. Fonseca, L. C.; Faez, R.; Camilo, F.; Bizeto, M. Auto-dopagem da Polianilina Produzida nos Poros da MCM-41 Funcionalizada com Grupos SO3H. Em: Programa Institucional de Bolsas de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação, 2011, São Paulo, Brasil
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MODIFICAÇÃO SUPERFICIAL DE VEÍCULOS MOLECULARES À
BASE DE NANOPARTÍCULAS DE SÍLICA MESOPOROSA
RESUMO
Apesar dos tratamentos quimioterápicos vigentes, os principais fármacos antitumorais da atualidade não possuem especificidade no combate às células cancerosas, atingindo também células sadias do corpo humano. As características hidrofóbicas de muitos desses fármacos dificulta ainda mais sua utilização. Nesse aspecto, as nanotecnologias ligadas à química e a biologia oferecem novas maneiras de superar tais barreiras em virtude do desenvolvimento de nanomateriais capazes de transportar o farmaco especificamente ao alvo biológico. Portanto, na presente dissertação foram desenvolvidos nanocarreadores esféricos de sílica mesoporosa contendo grupos fenila (hidrofóbicos) em seu interior, cuja função é adsorver fármacos hidrofóbicos em seu interior poroso, mantendo sua integridade físico-química e, possibilitando sua liberação posteriormente, às células alvo de maneira específica. Para otimização desses sistemas, foram realizadas funcionalizações com o polietilenoglicol (PEG, um polímero hidrofílico e neutro) na superfície externa das nanopartículas, para o desenvolvimento de dois tipos de nanocarreadores antagônicos (superfície interna hidrofóbica e superfície externa hidrofílica): um nanocarreador detendo PEG de cadeia curta e uma nanopartícula contendo o mesmo polímero em tamanho maior. Nesse sentido, foi avaliada a influência da presença do PEG e o tamanho de sua cadeia polimérica na estabilidade coloidal e na interação com hemácias (hemólise). Foram analisadas, também, a influência da concentração, agregação e área superficial das nanopartículas na hemólise. Os resultados indicam o aumento de estabilidade e redução de hemólise por coloides contendo o PEG. Além disso, o aumento da cadeia polimérica demonstrou melhores resultados em parâmetros de estabilidade e diminuição de toxicidade. Foram obtidos resultados emblemáticos, possivelmente devido a um fenômeno biológico proposto a ser estudado, que indicam maiores efeitos hemolíticos por nanopartículas peguiladas em relação a uma nanopartícula não funcionalizada externamente, em situação nas quais todos os nanocareadores possuem idênticas áreas superficiais.
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SURFACE MODIFICATION OF SILICA BASED MESOPOROUS NANOPARTICLES FOR APPLICATION AS MOLECULAR VEHICLES
ABSTRACT
Despite the existing chemotherapy treatments, the main antitumor drugs today are used in limited doses because they have no specificity in fighting cancer cells, affecting healthy cells of the human body. The hydrophobic characteristics of many of these drugs further complicate their use. In this respect, nanotechnology related to chemistry and biology offer new ways to overcome these barriers due of the development of nanomaterials capable of carrying the drug specifically to the biological target. Therefore, in this dissertation spherical mesoporous silica nanocarriers were developed containing phenyl groups (hydrophobic) on the inner surface, whose function is to adsorb hydrophobic drugs through interactions like Van der Waals, keeping its physical and chemical integrity, enabling its release thereafter to target cells in a specific manner. To optimize these systems functionalizations with polyethylene glycol (PEG, a hydrophilic and neutral polymer) on the outer surface of the nanoparticles for the development of two types of antagonistic nanocarriers (hydrophobic inner surface and outer hydrophilic surface) were developed: one regards short chain PEG nanocarrier and the other long chain PEG nanocarrier. In this sense, the influence of the presence of PEG and the size of its polymer chain in the colloidal stability and interaction with red blood cells (hemolysis) was evaluated. In hemolytic assays it was also analyzed the influence of concentration, aggregation and surface area of nanoparticles. The results show, in general, increasing stability and reducing hemolysis by polyethylene glycol containing colloids. Moreover, the increased polymer chain of the PEG showed better results in the stability parameters and reduced toxicity front of the red blood cells. Emblematic results were obtained, possibly due to a biological phenomenon proposed to be studied, indicating higher hemolytic effects of pegylated nanoparticles compared to externally non-functionalized nanoparticle, in a situation in which all nanoparticles have similar surface areas.
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SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... xxi
LISTA DE FIGURAS ... xxiii
LISTA DE ESQUEMAS ... xxvii
1. Introdução ... 1
1.1. Nanotecnologia ... 1
1.2. Sílica mesoporosa: classificação, histórico, síntese e interações químicas .. 3
1.2.1. Classificação dos materiais porosos ... 3
1.2.2. Processo sol-gel ... 7
1.2.3. Histórico científico no desenvolvimento de nanoestruturas de sílica ... 8
1.2.4. O método de Stober modificado e a construção hierárquica das nanopartículas esféricas de sílica mesoporosa: experiência do Laboratório de Química do Estado Sólido ... 20
1.3. Ação dos fármacos no organismo vivo e o tratamento do câncer ... 27
1.4. Fármacos inteligentes envolvidas em Drug Delivery com aplicações biológicas ... 29
1.5. Efeito de Permeabilidade e Retenção Aumentadas ... 31
1.6. O polietilenoglicol (PEG) ... 34
2. Objetivos ... 36
3. Materiais e Métodos ... 37
3.1. Síntese das nanopartículas de partida (etapa A) ... 39
3.2. Funcionalização das nanopartículas sintetizadas na etapa A com silano PEG10 (cadeia curta) ... 40
3.3. Funcionalização das nanopartículas sintetizadas na etapa A com PEG de cadeia longa ... 41
3.4. Extração do “Soft Template” (CTAB) ... 43
3.5. Avaliação da estabilidade coloidal das nanopartículas ... 43
3.6. Ensaios Hemolíticos ... 44
3.6.1. A influência da concentração das nanopartículas na hemólise ... 44
xx
3.6.3. A influência do estado de agregação das nanopartículas em função do
tempo na hemólise ... 46
4. Resultados e Discussão ... 47
4.1. Nanopartículas de partida ... 50
4.2. Nanopartículas modificadas superficialmente com polietilenoglicol de cadeia curta ... 55
4.2.1. NPH30-SiO-10PEG10 ... 55
4.2.2. NPH30-SiO-25PEG10 ... 61
4.2.3. NPH30-SiO-50PEG10 ... 67
4.3. Nanopartículas modificadas superficialmente com polietilenoglicol de cadeia longa ... 74
4.4. Estudos de Estabilidade Coloidal ... 82
4.5. A influência da concentração das nanopartículas na hemólise ... 84
4.6. A influência da área superficial das nanopartículas na hemólise ... 86
4.7. A influência do estado de agregação das nanopartículas em função do tempo na hemólise ... 88
5. Conclusão ... 92
xxi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Tipos de interfaces híbridas formadas pelas diferentes espécies diferentes espécies inorgânicas (I) e seus respectivos surfactantes (S) contextualizados. ... 16 Tabela 2: Tamanho de partícula e potencial zeta das nanopartículas ... 82
xxiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Principais famílias de sólidos inorgânicos porosos e a respectiva classificação da IUPAC ... 4 Figura 2: Tipos de isoterma de nitrogênio de acordo com as classificações da IUPAC ... 6 Figura 3: Tipos de histerese abrangidas nas isotermas do tipo IV ... 7 Figura 4: Resumo do processo sol gel ... 8 Figura 5: A MCM-41 e sua morfologia hexagonal ... 10 Figura 6: Estruturas micelares formadas por surfactantes: esferas (A), cilindros (B), bicamadas planares (C), micelas esféricas reversas (D), fase esponjosa bicontínua (E) e lipossomo (F). ... 12 Figura 7: Tipos de interações eletrostáticas na interface híbrida entre precursores inorgânicos (I) e surfactantes (S) correspondentes. ... 15 Figura 8: Resumo processo de funcionalização das nanopartículas de sílica mesoporosa com organosilanos ... 19 Figura 9: Estrutura molecular do PTES (a), do TEOS (b) e CTAB (c) ... 22 Figura 10: Arranjo dos grupos fenila nos espaços entre as moléculas de CTAB23 Figura 11: Imagem representativa da nanopartícula de partida ... 23 Figura 12: Imagem representativa da nanopartícula funcionalizada externamente ... 24 Figura 13:Estrutura molecular dos silanos utilizados no presente trabalho ... 25 Figura 14: Representação da síntese de nanopartículas e sua funcionalização.26 Figura 15: Estruturas moleculares das principais drogas utilizadas no combate ao câncer ... 29 Figura 16: Representação das células endoteliais na superfície interna dos vasos sanguíneos ... 32 Figura 17: Representação da anastomose, propiciando intensa angiogênese 33 Figura 18: Espectros infravermelhos das nanopartículas de partida antes e após a remoção do CTAB ... 51 Figura 19: Curvas termogravimétricas (TG) e suas respectivas curvas de análise térmica diferencial (DTA) das nanopartículas de partida. ... 52
xxiv
Figura 20: Isotermas Isotermas de adsorção-dessorção de N2 da NPH30-SiOH e
NPH30-CTAB-SiOH ... 54 Figura 21: Micrografia (TEM) das nanopartículas de sílica funcionalizadas internamente com grupos fenil após extração do CTAB. ... 55 Figura 22: Acompanhamento da síntese da NPH30-SiO-10PEG10 via
infravermelho ... 56 Figura 23: Curvas TG e DTA da NPH30-SiO-10PEG10 ... 57
Figura 24: Isotermas de adsorção-dessorção de N2 da NPH30-SiO-10PEG10 58
Figura 25: Espectro de RMN de carbono da NPH30-SiO-10PEG10. ... 59
Figura 26: Espectro de RMN de silício da NPH30-SiO-10PEG10. ... 61
Figura 27: Acompanhamento da síntese da NPH30-SiO-25PEG10 via
infravermelho ... 62 Figura 28: Curvas TG e DTA da NPH30-SiO-25PEG10. ... 63
Figura 29: Isotermas de adsorção-dessorção de N2 da NPH30-SiO-25PEG10 64
Figura 30: Espectro de RMN de carbono da NPH30-SiO-25PEG10. ... 66
Figura 31: Espectro de RMN de silício da NPH30-SiO-25PEG10. ... 67
Figura 32: Acompanhamento da síntese da NPH30-SiO-50PEG10 via
infravermelho ... 68 Figura 33: Curvas TG e DTA da NPH30-SiO-50PEG10 ... 70
Figura 34: Isotermas de adsorção-dessorção de N2 na NPH30-SiO-50PEG10 71
Figura 35: Espectro de RMN de carbono da NPH30-SiO-50PEG10. ... 72
Figura 36: Espectro de RMN de silício da NPH30-SiO-50PEG10. ... 73
Figura 37: Micrografia (TEM) das nanopartículas de sílica funcionalizadas internamente com grupos fenil e externamente com polietileno glicol ... 74 Figura 38: Espectro Vibracional no infravermelho da NPH30-SiO-10GPS-PEG4076
Figura 39: Curvas TG e DTA da NPH30-SiO-10GPS-PEG40. ... 78
Figura 40: Isotermas de adsorção-dessorção de N2 na NPH30-SiO-10GPS-PEG40
... 79 Figura 41: Espectros de RMN 13C da NPH30-SiO-10GPS-PEG40. ... 80
xxv
Figura 43: Gráfico de estabilidade coloidal das nanopartículas a 250 µg/mL em PBS ... 84 Figura 44: Curvas dose-resposta das nanopartículas em incubadas em células vermelhas do sangue ... 85 Figura 45: Efeito hemolítico pelas nanopartículas detendo área normalizada em 760 m2/g ... 88 Figura 46: Estudo da agregação das nanopartículas em PBS durante uma hora89 Figura 47: Efeito de agregação das nanopartículas nos aspectos hemolíticos 92
xxvii
LISTA DE ESQUEMAS
Esquema 1: Mecanismo de formação da MCM-41 ... 13 Esquema 2: Resumo da síntese das nanopartículas de partida ... 40 Esquema 3: Representação geral da reação de funcionalização da nanopartícula de partida com silano PEG10. ... 41
Esquema 4: Representação geral da reação de funcionalização da nanopartícula de partida com silano GPS e acoplamento do PEG40 na função epóxi terminal.42
Esquema 5: Processo resumido da extração do soft template... 43 Esquema 6: Funcionalizações realizadas e sua localização no espaço do veículo molecular ... 49
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1. Introdução
1.1. Nanotecnologia
Nanotecnologia é uma área da ciência que estuda o manuseio da matéria a nível nanométrico, isto é, as transformações químicas são manipuladas pelo homem em uma escala de 10-9 m (um bilionésimo do metro ou 0,000000001 m) cuja ordem de grandeza é relacionada com o tamanho dos átomos e moléculas. O átomo de hidrogênio possui 0,1 nm enquanto que nanopartículas tais como a sílica mesoporosa, que constituem a estrutura principal dos veículos moleculares produzidos no presente trabalho possuem tamanhos variando de 1 a 100 nm.
A nanotecnologia está presente na natureza e pode ser notada, por exemplo, nas lagartixas que podem aderir a superfícies de distintos materiais e em qualquer ângulo de inclinação, de modo que suas nanoventosas (estruturas nanométricas) permitam sua adesão e proporcionam seu movimento contra a força da gravidade. Outro exemplo importante é o dente, formado por estruturas nanométricas (nanoestruturas) que explicam sua robustez frente à mastigação de alimentos sólidos e duros. As estruturas dentárias, especificamente, são constituídas de minerais de cálcio e fosfato (fonte inorgânica) que se depositam ao redor da polpa, estrutura orgânica localizada no interior do dente, atuando como “molde” orgânico para sua formação. Trata-se, portanto, de um material híbrido cujo processo de formação envolve um “soft template” circundado por estruturas inorgânicas detendo forma similar. Pode-se citar, também, a cor das borboletas que pode variar de acordo com o ângulo de observação devido à interação da luz com as nanoestruturas presentes nas asas, causando uma mudança no índice de refração e gerando tal efeito. A palavra nanotecnologia existe desde a década de 80, mas sua essência persiste desde o mundo grego, período em que pensadores e filósofos como Leucipo de Mileto e Demócrito, por exemplo, consideravam que a matéria é constituída de partículas menores, indivisíveis e invisíveis a olho nu. 1
A partir do século XIX vários cientistas, tais como Dalton, Rutherford, e Bohr avançaram nas teorias sobre o mundo atômico de modo que nos dias atuais a nanotecnologia apresenta-se como ferramenta significativamente desenvolvida e bem manuseada do ponto de vista nanométrico. Nesse contexto a natureza e a
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curiosidade do ser humano pelo universo “pequeno” motivaram tais avanços e os resultados desse conjunto de fatos científicos e naturais se mostram em trabalhos muito importantes como na eletrônica abrangendo a fabricação de transistores à base de nanotubos de carbono2, nano catalisadores heterogêneos3, fotocatalisadores4, nano materiais para aplicações ópticas5, fármacos inteligentes à base de nanoestruturas participando do processo de liberação controlada de fármacos (Drug Delivery)6, entre outros.
É notória no parágrafo anterior a importância da nanotecnologia na interdisciplinaridade entre áreas da química, física, engenharia e biologia, possibilitando ideias inovadoras e desafiadoras. Uma dessas sobreposições de conhecimentos na plataforma nanotecnológica foi denominada nanobiotecnologia, a qual seria, efetivamente, a nanotecnologia aplicada à biologia, na qual se encontram os estudos de nanomateriais voltados ao tratamento e diagnóstico de doenças, onde o câncer tem destaque especial. Muitos nanomateriais estão sendo usados na tentativa de melhorar o tratamento quimioterápico de muitos tipos de cânceres. Nanopartículas (NPs) coloidais aparecem como promissores candidatos à sua utilização como veículos moleculares para carreamento de fármacos antitumorais, principalmente em virtude de sua homogeneidade morfológica e sua ótima estabilidade físico-química em vários fluidos biológicos. Contextualizando esse fato, na presente dissertação serão desenvolvidas nanopartículas esféricas de sílica aplicadas ao tratamento antitumoral, isto é, por apresentarem porosidade uniforme, significativa biocompatibilidade e grande área superficial interna e externa que pode ser modificada através de sua funcionalização com espécies químicas que lhe proporcionam novas propriedades, esses veículos moleculares apresentam-se como alternativa promissora para o combate ao câncer.7 Esses conceitos serão abordados mais adiante. Entretanto, faz-se necessário compreender inicialmente os conceitos fundamentais relacionados à sílica mesoporosa.
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1.2. Sílica mesoporosa: classificação, histórico, síntese e
interações químicas
A sílica mesoporosa é um material inorgânico constituinte dos veículos moleculares a serem sintetizados no presente projeto e, portanto, é importante sua compreensão à cerca dos princípios que norteiam sua síntese e classificação segundo o tamanho dos poros de acordo com a IUPAC. As interações químicas envolvidas no processo de formação da mesoestrutura envolvendo espécies químicas orgânicas e inorgânicas são conceitos que serão também desenvolvidos nesse tópico.
1.2.1. Classificação dos materiais porosos
Os materiais inorgânicos porosos são importantes em uma gama de atividades envolvendo sua aplicação em diversas plataformas do conhecimento científico tecnológico. Sua porosidade é importante para abrigar espécies nanométricas de diversas origens (eletrônica, óptica, medicinal, catalítica, entre outras), pois se molda de acordo com o tamanho da molécula hospedeira, o que induziu a produção de estruturas inorgânicas cujos poros podem abranger diversos tamanhos. Nesse sentido a IUPAC classificou esses materiais baseando-se nesbaseando-se parâmetro e registrou também a distribuição de tamanho de poros de acordo com seu tipo. Os materiais microporosos apresentam diâmetro de poros menor do que 2 nm, os mesoporosos detém essa dimensão variando entre 2 e 50 nm enquanto que materiais abrangendo cavidades porosas maiores do que 50 nm, por fim, são classificados como macroporosos.8 Essa classificação e a distribuição de poros estão ilustradas na Figura 1.
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Figura 1: Principais famílias de sólidos inorgânicos porosos e a respectiva classificação da IUPAC
No Estado da Arte9 uma das principais técnicas para determinação do material quanto à sua natureza micro, meso ou macroporosa é o método da adsorção de gás nitrogênio na superfície dos materiais mediante aumento constante da pressão a uma temperatura fixa, gerando uma isoterma de nitrogênio cujo gráfico compreende a quantidade de gás adsorvido (em cm3/g) em função da razão P/P0, onde P é a pressão de equilíbrio e P0 é a pressão de vapor do gás a
uma temperatura fixa T, daí o nome isoterma. A Figura 2 mostra os quatro tipos de isoterma de nitrogênio segundo a classificação da IUPAC.
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A isoterma do Tipo II é típica de materiais não porosos, macroporosos ou de natureza porosa complexa, caracterizada por estruturas não definidas de acordo com um padrão típico de poro, compreendendo nesse contexto materiais cujos poros apresentam significativa aleatoriedade. A forma da isoterma indica um material cujos poros detendo dimensões significativas não apresentam restrição física para a adsorção dos gases adsorventes. Assim, à medida que P/P0
aumenta, a curva tende a um platô indicado na figura pelo ponto B. Nessa situação os gases sobre a superfície formam uma camada completa, cobrindo na totalidade a superfície do material em análise. Após essa situação, a curva tende a aumentar sua inclinação proporcionalmente com P/P0, formando as próximas
camadas de gás adsorvido. As isotermas do tipo I (“a” ou “b” na figura) são típicas de materiais microporosos, apresentando um rápido preenchimento da primeira camada, visto que detém poros menores em relação aos materiais macroporosos, por exemplo. Os materiais mesoporos, finalmente, apresentam isotermas do tipo IV, caracterizadas pela formação de histereses na curva, que por sua vez estão atreladas a um fenômeno denominado condensação capilar. Nesse processo, à medida que camadas de gás adsorvente se formam nota-se o surgimento de um menisco em virtude de interação, tipicamente de Van Der Waals, mútua entre elas. Dessa maneira, as próximas moléculas de gás a preencher o vazio remanescente dos mesoporos completam rapidamente o referido volume gerando uma súbita inclinação da curva de adsorção após P/P0 = 0,6, aproximadamente. Na etapa de
dessorção a ocorrência da histerese está relacionada às fortes interações físico-químicas entre os gases adsorvidos. Em virtude da forte interação intermolecular, o vácuo a ser aplicado para remoção do gás deve ser maior do que o normal, induzindo a remoção das camadas de gás, o que é observado pelo repentino decaimento na curva de dessorção, que completa a histerese no final do processo.
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Figura 2: Tipos de isoterma de nitrogênio de acordo com as classificações da IUPAC9
Tratando-se do grupo de isotermas de nitrogênio do tipo IV tem-se ainda a classificação IUPAC dos tipos de histerese9, denominados H1, H2, H3 e H4, conforme indicado na Figura 3. A histerese do tipo H1 inclui mesoporos de estrutura definida e uniforme, enquanto que àquela abrangida na classificação H2 refere-se à mesoporos associados a estruturas mais complexas nas quais a rede inorgânica afeta diretamente. As histereses do tipo H3 e H4, por sua vez, são derivadas de mesoporos que não detém estruturas bem definidas.
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Figura 3: Tipos de histerese abrangidas nas isotermas do tipo IV9
1.2.2. Processo sol-gel
A síntese das nanopartículas de sílica mesoporosa ocorre sob condições brandas de temperatura e pressão em um procedimento sintético caracterizado pela polimerização de espécies específicas, denominado processo sol-gel.10
O referido processo abrange duas etapas: na primeira parte dessa rota os monômeros de silício, o tetraetilortosilicato (TEOS) ou Si(OEt)4, são hidrolisados
pela água, formando espécies intermediárias Si(OH)4. Após a hidrólise ocorre a
segunda etapa na qual as estruturas intermediárias recém-formadas sofrem condensação ou polimerização entre si, formando partículas de sílica (SiO2) em
suspensão no meio líquido, constituindo o sol – note que há a possibilidade de condensação entre as espécies intermediárias Si(OH)4 e Si(OEt)4 ainda não
hidrolisado.11 No decorrer dessas reações a concentração de sílica coloidal aumenta gradativamente, tornando o fluido mais viscoso e semelhante a um gel,
8
daí o nome sol-gel.12A Figura 4 exibe resumidamente as duas etapas envolvidas nesse processo.
Figura 4: Resumo do processo sol gel
1.2.3. Histórico científico no desenvolvimento de nanoestruturas
de sílica
Nesse tópico é apresentado o histórico do desenvolvimento de nanopartículas de sílica a partir do século XX até dos dias atuais, abrangendo finalmente os sistemas estudados nessa dissertação.
9
1.2.3.1. As partículas de Stober e sua importância histórica no
desenvolvimento de sistemas nanoestruturados à base de sílica
mesoporosa.
As pesquisas focadas no desenvolvimento de partículas esféricas de sílica tiveram início em 1968, quando Werner Stober e Arthur Fink publicaram um estudo de síntese dos referidos colóides em diversas condições reacionais, no intuito de se obter partículas de tamanhos micrométricos e nanométricos em dispersões polidispersas e monodisperas13. Stober realizou sínteses de partículas esféricas através do método sol-gel, no qual utilizou tetraalquilortosilicatos (desde o tetrametilortosilicato até o tetrapentilortosilicato) na presença de seus álcoois alquílicos correspondentes (desde o metanol até o butanol) na presença do catalisador amônia. Ele provou que o tamanho das cadeias alquílicas do éster de silicato e seu respectivo álcool são proporcionais ao tamanho das partículas finais. Nesse contexto, foi demonstrado que grupos metílicos geram as menores espécies coloidais monodispersas (menores do que 0,2 μm), enquanto os butílicos engendram sistemas de micropartículas de tamanhos diversos de no máximo 2 μm . O trabalho mostrou que, realizando-se a síntese em misturas 1:1 de metanol-butanol, são produzidas partículas grandes monodispersas; em misturas 1:3 de metanol-propanol, a distribuição de tamanhos é mais uniforme. O resultado mais emblemático deste trabalho foi a descoberta do formato esférico das partículas ser induzido pela presença da amônia e de seus tamanhos serem diretamente proporcionais à concentração molar de NH3. Na ausência desse catalisador (NH3)
a sílica possui formas aleatórias distintas do formato esférico, inviabilizando a síntese de futuros veículos moleculares.
As sínteses de partículas micrométricas e nanométricas comentadas no parágrafo anterior são chamadas pela comunidade científica de método de Stober. Este método impulsionou novos trabalhos envolvendo produção de partículas de sílica na presença de amônia, bem como estudos de outras variáveis reacionais que viabilizassem a obtenção de partículas monodispersas.14,15.
10
Com avanço das pesquisas abrangendo nanopartículas de sílica mesoporosa, foi descoberto em 1992 um novo sistema nanoestruturado chamado MCM-41 muito importante no contexto de nanotecnologia.
1.2.3.2. A MCM-41
Inspirados nas partículas de Stober, principalmente nos principais constituintes de partida para a formação desses sistemas, os pesquisadores da Mobil Oil Corporation desenvolveram uma nanopartícula de sílica mesoporosa com uma nova morfologia: trata-se de um material cuja forma é hexagonal detendo mesoporos cilíndricos paralelos e ordenados (Figura 5). A novidade no processo sintético envolve, diferentemente do método de Stober, a utilização de um molde orgânico (também denominado soft template ou micelas) ao redor do qual é polimerizada a sílica, formando um material híbrido organo-inorgânico. Este último é submetido a um novo processo para remoção do molde precursor de estrutura, gerando as cavidades cilíndricas mostradas na imagem abaixo.
Figura 5: A MCM-41 e sua morfologia hexagonal
Sabendo-se da importância da MCM-41 para o desenvolvimento de nanopartículas de sílica obtidas no presente trabalho, faz-se necessário compreender o processo de formação de micelas (entidade orgânica), a polimerização da sílica (entidade inorgânica) ao redor dos referidos moldes, as interações específicas entre ambas as entidades, a remoção do soft template para a geração de cavidades e a possibilidade de funcionalização do material final.
11
A síntese da MCM-41 envolve a utilização do TEOS como precursor inorgânico e um molde constituído de agregados micelares direcionadores de estrutura de modo que a hidrólise e condensação (processo sol-gel) da entidade inorgânica ocorra ao redor dessas micelas que, induzirão a forma da mesoestrutura final16. As micelas são formadas por um conjunto de surfactantes que podem se agregar dependendo do meio onde são inseridos e das condições reacionais. O surfactante propriamente dito é uma macromolécula com características anfifílicas, pois detém em sua estrutura uma porção hidrofóbica, representada pela extensa cadeia carbônica saturada formando uma cauda, e uma fração hidrofílica característica de átomos carregados positiva ou negativamente (em geral formada por íons alquilamônio positivos) formando uma cabeça polar. Ao serem adicionados em água, os surfactantes se arranjam espacialmente na superfície aquosa, expondo sua cauda apolar, imiscível nesse meio, diretamente ao ar, também hidrofóbico, e mantendo a cabeça polar submersa na água devido à sua compatibilidade ao meio hidrofílico. A contínua transferência das referidas espécies químicas no meio aquoso gera saturação superficial, situação na qual não há mais espaço para moléculas adicionais. Nesse momento é atingida a primeira concentração micelar crítica (cmc 1), pois a adição de mais surfactante, sem espaço na superfície saturada da água, induz um rearranjo dessas macromoléculas de modo a permitir a entrada de outras novas macromoléculas. Desta maneira, são formadas micelas esféricas que escondem a parte apolar em seu interior, pois é incompatível com o meio aquoso polar que, por sua vez, interage com as cabeças polares micelares que constituem a superfície externa dessas estruturas. O contínuo aumento da quantidade de surfactante gera um emaranhado de micelas esféricas, que também atingem um ponto de saturação denominado segunda concentração micelar crítica ou cmc 2. Não obstante, após essa situação a adição de mais macromoléculas anfifílicas citadas gera um novo rearranjo estrutural, formando nesse caso, micelas cilíndricas. Note que, a adição contínua de surfactante gera novas concentrações micelares críticas responsáveis pela formação de novas estruturas micelares, seguindo-se a seguinte ordem: esfera, cilindro, bicamadas planares, micelas
12
esféricas reversas, fase esponjosa bicontínua e lipossomos.8 As estruturas espaciais das micelas podem ser visualizadas na Figura 6.
Figura 6: Estruturas micelares formadas por surfactantes: esferas (A), cilindros (B), bicamadas planares (C), micelas esféricas reversas (D), fase esponjosa bicontínua (E) e lipossomo (F).
Na síntese da MCM-41 o surfactante utilizado é o brometo de hexadeciltrimetilamônio (CTAB) que forma micelas cilíndricas direcionadoras de estrutura.
Apresentadas as principais espécies químicas envolvidas na obtenção da MCM-41 compreendendo a fonte inorgânica (TEOS) que constituirá a rede mineral e o molde orgânico (CTAB) que direcionará a forma das nanopartículas, faz-se necessário entender um dos principais mecanismos que regem a formação da mesoestrutura e a posterior obtenção do óxido mesoporoso. Nesse mecanismo são formados agregados micelares cilíndricos que direcionam a forma da estrutura da MCM-41 e compõem a mesofase cristal líquido. Ao redor dessas estruturas pré-formadas ocorre a hidrólise e condensação dos precursores inorgânicos. Note no Esquema 1, que as espécies MX4 (precursores inorgânicos) se depositam ao
redor das micelas, já formadas em solução anteriormente à adição da fonte de silício, gerando uma rede híbrida mesoestruturada. A eliminação do molde orgânico, realizada de diversas maneiras explicadas mais adiante, engendra o óxido mesoporoso, cujas cavidades geradas possuem a forma dos agentes direcionadores de estrutura. Nesse contexto, o pH do meio e as características físico-químicas dos surfactantes e as espécies inorgânicas são variáveis que interferem nos mecanismos de formação da MCM-41 e das nanopartículas de sílica.8. Tais conceitos serão abordados mais adiante.
13
Esquema 1: Mecanismo de formação da MCM-41
Compreendendo-se fundamentalmente os mecanismos envolvidos na síntese da MCM-41, faz-se necessário entender as interações químicas envolvidas entre os surfactantes (S) e os precursores inorgânicos (I), visto que se tratam dos princípios que proporcionam a compatibilidade química entre as espécies orgânicas e inorgânicas formando uma interface híbrida, possível apenas mediante interações eletrostáticas, ligações de hidrogênio e as interações de Van der Waals. A rede híbrida mesoestruturada é reflexo desses fenômenos.
As espécies S e I podem interagir de diversas maneiras de acordo com seu tipo e o pH do meio onde estão inseridos. Em um sistema constituído de surfactantes catiônicos (S+) como o CTAB e precursores inorgânicos negativos (I-), a formação da interface híbrida é favorável em virtude da interação eletrostática atrativa entre ambas as espécies, representada por S+I-, formando uma estrutura estável. Vale salientar que, a formação de espécies I- depende principalmente do pH do meio e do ponto isoelétrico da espécie mineral. Esse último fator pode ser compreendido analisando-se duas reações ácido base, evidenciando-se, nesse caso, o grupo silanol SiOH da sílica:
Si-OH + H+ → Si-OH2+
Si-OH + OH - → SiO
-Note que em pH ácido os grupos silanóis podem reagir com os íons hidrônio gerando as espécies Si-OH2+ representando os precursores inorgânicos
positivos I+, ou interagir com hidróxidos típicos de pH alto formando os grupos SiO -caracterizados como I-. Tem-se aqui os fundamentos para a compreensão do ponto isoelétrico, propriedade química presente em diversos nucleófilos como o SiOH. O ponto isoelétrico (PI) representa o pH onde as quantidades de grupos
Si-14
OH2+ e SiO- são semelhantes (no caso da sílica), gerando uma superfície neutra.
Logo, em pH menor do que o PI são predominantes as entidades Si-OH2+
enquanto que acima desse parâmetro os grupos SiO- prevalecerão. O ponto isoelétrico da sílica é aproximadamente 3, o que leva a compreender que em uma faixa de pH variando de 0 a 14, valores acima de 3 gerem precursores I- e abaixo desse valor teremos espécies I+.8
Em ambientes de pH elevado, onde geralmente são predominantes as espécies I-, a formação de uma superfície híbrida é favorável na presença de um surfactante catiônico S+ (carga oposta). Essas interações são representadas por S+I-. Se, no entanto, diminuirmos o pH dessa solução de tal maneira que seu valor seja menor do que o PI da espécie mineral e mantendo-se presente a espécie S+, a formação de entidades I+ será propícia. Nessa situação, as interações S+I+ são repulsivas devido às cargas de mesmo sinal, contribuindo para a instabilidade da formação de uma superfície híbrida. No intuito de evitar essas repulsões os contra-íons negativos representados por X- (haletos) são intercalados entre o surfactante e o precursor inorgânico. A representação da interface nesse contexto é S+X-I+.8
No caso de um sistema de pH elevado formado por espécies I- e surfactantes aniônicos S-, a instabilidade da camada organo-inorgânica é, também, pronunciada. Para amenizar as repulsões eletrostáticas entre cargas negativas nesse contexto os cátions de metais alcalinos Na+ ou K+ representados por M+ encontram-se intercalados no interior da referida interface, gerando interações S-M+I-. Diminuindo-se o pH dessa solução para valores menores do que o PI da entidade inorgânica e mantendo-se a mesma espécie S-, as espécies I+ serão formadas, levando-se a formação de uma superfície estável caracterizada por interações eletrostáticas atrativas S-I+.8
15
Figura 7: Tipos de interações eletrostáticas na interface híbrida entre precursores inorgânicos (I) e surfactantes (S) correspondentes.
A Tabela 1 apresenta os quatro tipos de interfaces híbridas exemplificadas contextualizadas em exemplos de materiais mesoestruturados mais reportados na literatura.
16
Tabela 1: Tipos de interfaces híbridas formadas pelas diferentes espécies diferentes espécies inorgânicas (I) e seus respectivos surfactantes (S) contextualizados.
Tipo de Surfactante
Tipo de
Interação Exemplo de Materiais
Catiônico S+ S+I -Sílica MCM-41(hex)17 MCM-48 (cub)17 MCM-50 (lam)17 Óxido de Tungstênio18
Óxido de Antimônio (V) (lam, Hex, cub)18
S+X-I+
Sílica SBA-1 (cub)18 Sílica SBA-2 (hex 3D)19
Sílica SBA-3 (hex)18 Fosfato de Zinco (lam)18
Aniônico I-
S-I+ Óxidos de Mg, Al, Ga, Mn, Fe, Co, Ni, Zn (lam)18
S-M+I- Óxido de Zinco
18
Alumina (lam)18
Do ponto de vista termodinâmico a formação da camada híbrida mesoestruturada pode ser descrita segundo a descrição da energia livre de Gibbs abaixo:
∆Gmeso = ∆Ginter + ∆Gorg + ∆Ginorg + ∆Gsol
A equação termodinâmica acima enuncia que a variação da energia livre de Gibbs no processo de formação do material híbrido é igual à soma das contribuições individuais do solvente (∆Gsol), os precursores inorgânicos (∆Ginorg),
o agregado micelar (∆Gorg) e as interações eletrostáticas entre os dois principais
17
Analisando-se cada termo, temos que ∆Gsol é atrelado à capacidade de
solubilização do solvente em relação às espécies químicas envolvidas nas sínteses das nanopartículas, isto é, a dissolução de cada componente no meio reacional é essencial para a eficiência de uma reação química. Os precursores inorgânicos possuem interações específicas entre si caracterizadas pela repulsão eletrostática intra-específica entre as entidades I+ ou I-, o que termodinamicamente é descrito pela variável ∆Ginorg. Seguindo-se essa mesma linha de raciocínio é
natural concluir que as micelas também possuem interações eletrostáticas repulsivas entre suas cabeças polares positivas e as forças de London que regem a exposição mútua das caudas hidrofóbicas. Nesse contexto, o valor de ∆Gorg
contribui para o resultado final de formação das micelas.20 Uma observação mais importante converge na contribuição de ∆Ginter para formação da interface híbrida,
visto que esse valor está atrelado às interações entre os agregados micelares e a rede mineral a se depositar nos arredores do referido template. Nessa situação as interações químicas atrativas ou repulsivas, intercaladas ou não por contra-íons (estudadas acima) são importantes para a energia livre de Gibbs que possa proporcionar ou não a formação espontânea da camada organo-inorgânica. Não obstante, considerando-se estruturas híbridas nas quais o surfactante e a rede inorgânica detêm cargas eletrostáticas de mesmo sinal, a espontaneidade na formação da interface é dependente da presença de íons compreendendo cargas opostas em relação a ambas as entidades orgânica e inorgânica, no sentido de amenizar a energia eletrostática repulsiva. Nesse contexto, a espessura da . Em situações nas quais o surfactante e a rede inorgânica detenham cargas opostas, a espontaneidade da formação da interface não depende da intercalação de íons, uma vez que ambas as espécies são atraídas eletrostaticamente.
Uma vez compreendidas as interações químicas que regem a formação do híbrido organo-inorgânico, conforme verificado acima, faz-se necessário entender os distintos processos de remoção do soft template e as maneiras abrangentes de modificação superficial da sílica mesoporosa segundo as diversas estratégias sintéticas vigentes na literatura.
18
Iniciando-se pelos processos de obtenção do óxido mesoporoso composto de sílica ou outros materiais inorgânicos, a remoção do molde orgânico pode ser realizada através do processo de calcinação, caracterizado pelo aquecimento do material híbrido em forno. Nesse contexto a temperatura e a rampa de aquecimento devem ser adequadamente programadas de modo a evitar o colapso da mesoestrutura; a atmosfera envolvida na calcinação pode ser escolhida de acordo com as características do gás e a amostra21. Após a remoção do soft template são gerados os poros, que anteriormente estavam preenchidos pelas referidas micelas.
Na calcinação é observada a contração da rede inorgânica mesoestruturada em função da condensação dos grupos silanóis, bem como a eliminação exotérmica das micelas que, quando submetidas a altas temperaturas, sofrem decomposição. Em virtude desses fenômenos, esse processo térmico de remoção do molde deve ser controlado principalmente no caso de nanopartículas de sílica sintetizadas em meio básico na presença de micelas catiônicas, onde a parede inorgânica é fina e sujeita ao colapso em procedimentos não adequados de calcinação. Por outro lado, embora a estrutura inorgânica da sílica mesoposorosa obtida em meios ácidos acompanhados de surfactantes catiônicos seja menos organizada, a espessura da parede mineral é maior e mais resistente termicamente. Note que a presença de cátions intercalados, como por exemplo, em estruturas híbridas do tipo S+X-I+ ou S-M+I-, está relacionada à maior espessura da camada de sílica, o que explica a característica estrutural da sílica mesoporosa formada em meios ácidos. Entretanto, a referida propriedade não dispensa a sílica da realização de calcinação8.
Sabendo-se que a calcinação remove todos os compostos orgânicos, esse procedimento não é viável para a remoção das micelas em nanopartículas de sílica contendo grupos orgânicos funcionais de interesse, visto que esse tratamento térmico acarretará em sua possível decomposição.
Todavia, há uma alternativa eficiente para a eliminação do molde dos sistemas coloidais sintetizados mantendo-se a integridade físico-química dos grupos funcionais; trata-se da extração das micelas adicionando-se o material
19
híbrido em uma solução etanólica de HCl (contendo ácido clorídrico) seguido de sonicação. A presença da solução mediante o processo físico de sonicação auxilia a remoção do molde orgânico da mesoestrutura, permanecendo na solução, de onde é removido através de centrifugação22.
A MCM-41 possui características estruturais estratégicas do ponto de vista de viabilizar novas propriedades químicas em virtude da presença de grupos silanóis (Si-OH) presentes em suas superfícies interna e externa. Esses grupos funcionais podem reagir com reagentes chamados organosilanos, de fórmula molecular geral (RO)3Si(CH2)3X, em um processo denominado funcionalização ou
modificação superficial, caracterizada pela inserção covalente dessas espécies12, onde “R” pode representar um grupo CH3CH2- ou CH3-, enquanto que “X”
refere-se a funções orgânicas como –SH (grupo mercapto)23,24
, -NH2 (grupo amino)25,
-C6H5NH2 (grupo anilina)26, -Br (grupo bromo)27, -CH(O)CH2 (grupo glicidoxi)28,
-C6H5 (grupo fenila)29, entre outros.
No processo de funcionalização, os grupos SiOH reagem com as espécies químicas (RO)3Si(CH2)3X em reações de substituição nucleofílica. Nesse contexto
são estabelecidas ligações covalentes representadas por (SiO)3Si(CH2)3X ou
(SiO)2(RO)Si(CH2)3X. Para o meio reacional são liberados alcóxidos RO
-provenientes do organosilano inicial, que serão posteriormente removidos. A modificação superficial explicada acima está representada na Figura 8.
Figura 8: Resumo processo de funcionalização das nanopartículas de sílica mesoporosa com organosilanos
20
1.2.4. O método de Stober modificado e a construção hierárquica
das nanopartículas esféricas de sílica mesoporosa: experiência
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
21
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
22
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.
23
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.
24
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
25
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.
26
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.
1.3. Ação dos fármacos no organismo vivo e o tratamento do
câncer
O câncer é uma doença causada pelo crescimento exacerbado de células, invadindo tecidos e órgãos. Essa doença é derivada de fatores externos ou ambientais como, por exemplo, o consumo de cigarro, exposição excessiva ao sol (incidência de raios ultravioletas), consumo de produtos industrializados e hábitos e/ou estilos de vida, e fatores internos provenientes de mutações genéticas e hereditariedade. Segundo as estatísticas, em aproximadamente 90% dos casos os fatores externos são as principais causas da doença35. Se descoberta cedo, a doença pode ser remediada por diversos tratamentos, entre eles merecem destaque a quimioterapia, radiações, hormônios, entre outros.36 De fato, a quimioterapia é o tipo de tratamento mais comum e envolve a utilização de fármacos antitumorais.
Os fármacos no combate ao câncer possuem diversos efeitos colaterais quando aplicadas no organismo, resultado da baixa seletividade do fármaco que atinge células sadias do corpo e, consequentemente, acarretando alta toxidade. Somado a isso, tem-se o baixo tempo de circulação no sangue, sendo necessárias altas doses a serem aplicadas, acarretando ainda mais os referidos efeitos negativos.37
Na literatura, existem diversos tipos de fármacos anticâncer, dentre elas pode-se destacar a Camptotecina, Cisplatina e 5-fluorouracil como agentes utilizados no combate ao câncer de pulmão.38 Merecem destaque, também, as substâncias orgânicas como Anamicina, Doxorubicina e Lurtotecan, aplicados ao tratamento de células tumorais dos rins (carcinoma) e estômago.39 Um fármaco chamado Docetaxel possui função de combate ao câncer de mama metastático, adenocarcinomas de esôfago, entre outros, juntamente com Doxorubicina e Paclitaxel40,41.
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Um fármaco que vem apresentando bons efeitos é a violaceína, um pigmento de coloração violeta produzido pela bactéria Chromobacterium violaceum, encontrada no Amazonas. Em estudos realizados pelo pesquisador Nelson Duran e colaboradores, da Universidade Estadual de Campinas, foram evidenciadas as características desse fármaco e sua alta capacidade antitumoral42,43, antiulcerogênica44, antiviral42, antibacteriana42 e anti-leishmania45. Trata-se de um fármaco extremamente importante em diversas aplicações médicas, o que ressalta a necessidade em produzir veículos moleculares moldados para fármacos com tais características.
A camptotecina e Lurtotecan são dois importantes fármacos antitumorais. Essas moléculas possuem significativo caráter hidrofóbico, constituída de anéis aromáticos e ramificações. Essa característica físico-química limita sua aplicação, e o desenvolvimento das nanopartículas de sílica se molda de acordo com esse aspecto. Recentemente, Paula e colaboradores desenvolveram nanocarreadores de sílica contendo em seu interior grupos fenil hidrofóbicos46 e, externamente, grupos hidrofílicos propilmetilfosfonato, resultando em um veículo molecular antagônico capaz de absorver internamente moléculas hidrofóbicas, além de ter boa estabilidade coloidal em água em função da presença dos referidos grupos externos que detém características hidrofílicas. A Figura 15 mostra a estrutura molecular dos principais fármacos comentados acima. O referido trabalho, desenvolvido no Laboratório de Química do Estado Solido do Instituto de Química da Unicamp, é um emblemático precursor para o foco do Laboratório na síntese de novas nanopartículas antagônicas para diversas aplicações biológicas.
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Figura 15: Estruturas moleculares dos principais fármacos utilizados no combate ao câncer
1.4. Fármacos inteligentes envolvidas em Drug Delivery com
aplicações biológicas
Na literatura, diversas nanopartículas são reportadas, e houve um grande aumento do número de trabalhos envolvendo a produção de veículos moleculares aplicados no contexto de Drug Delivery. Em 2001, Nakanishi e colaboradores desenvolveram um nanocarreador micelar polimérico chamado NK911, onde o fármaco antitumoral doxorubina foi inserido. A superfície externa deste carreador foi submetida à funcionalização com polietilenoglicol no intuito de evitar sua captação pelo sistema imunológico e favorece estabilidade coloidal em solventes