FABIANA CRISTINA ANDRADE CORBI
SISTEMAS MAGNÉTICOS MULTICOMPONENTES NANOESTRUTURADOS HIERARQUICAMENTE COM PROPRIEDADES BIOLÓGICAS E LUMINESCENTES.
CAMPINAS 2014
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA
FABIANA CRISTINA ANDRADE CORBI
SISTEMAS MAGNÉTICOS MULTICOMPONENTES NANOESTRUTURADOS HIERARQUICAMENTE COM PROPRIEDADES BIOLÓGICAS E LUMINESCENTES.
ORIENTADOR: PROF. DR. ITALO ODONE MAZALI
TESE DE DOUTORADO APRESENTADA AO INSTITUTO DE QUÍMICA DA UNICAMP PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE DOUTORA EM CIÊNCIAS.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA POR FABIANA CRISTINA ANDRADE CORBI, E ORIENTADA PELO PROF. DR. ITALO ODONE MAZALI.
______________________ Assinatura do Orientador
CAMPINAS 2014
Esta Tese é dedicada aos meus filhos amados
Esta Tese é dedicada aos meus filhos amados
Esta Tese é dedicada aos meus filhos amados
Esta Tese é dedicada aos meus filhos amados
Maria Edu
Maria Edu
Maria Edu
Maria Eduarda e João Pedro
arda e João Pedro
arda e João Pedro,,,,
arda e João Pedro
e
e
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AGRADECIMENTOS
A Deus pela oportunidade de recomeçar em cada amanhecer...Um agradecimento especial a Marlene Aparecida Ittner (ou seria Malene, ou ainda Manene!?), a quem entregava minha vida todos os dias para poder realizar este trabalho. Marlene, obrigada por cuidar dos meus filhos com tanto amor e carinho.
Ao Professor Italo Odone Mazali pela oportunidade de trabalho, aprendizado, amizade, compreensão e, sobretudo, por não ter me deixado desistir no meio do caminho. Obrigada por tudo Professor!
Ao Professor Fernando Aparecido Sigoli pelas ideias, discussões valiosas e amizade. Muito obrigada!
Aos professores Yoshitaka Gushiken, Daniela Zanchet e Maria do Carmo Gonçalves pelas importantes contribuições em meu exame de qualificação. Obrigada!
Aos professores componentes da banca de defesa deste trabalho de Tese, Wilton Rogério Lustri, Patrícia Pommé Confessori Sartoratto, Daniela Zanchet e Ana Flávia Nogueira, pelas valiosas sugestões. Muito Obrigada!
Ao meu marido Pedro por seu companheirismo, amor, dedicação e incentivo. Pedro, se não fosse a sua força, eu não teria chegado até aqui. Te amo!
A minha filha Maria Eduarda que com sua alegria faz os nossos dias mais felizes e, ao meu filho João Pedro que, depois de tantos anos, me ensinou o verdadeiro sentido da vida. Amo vocês!
Ao meu Pai e grande incentivador Flávio, por acreditar em mim, até mais do que eu mesma, e por sua admiração. Te amo Pai! Sou sua fã!
A minha Mãe Mara, que apesar da distância, sempre esteve ao meu lado me ajudando no que podia. Mãe obrigada por tudo, principalmente pelas orações! Te amo!
Ao meu Irmão Junior, por existir em minha vida.... Simples assim! Te amo demais Juba!
A D. Isabel e Sr. Pedro por todo carinho e velinhas acesas nos momentos difíceis. Obrigada de coração!
Aos colegas do LMF: Natiara, Laura, Gabi, Emille, Cris, Bia, Carol, Carla, Lidiane, Larissa, Elias, João Paulo, Jorge, Murilo, Diogo, Felipe, Lanousse, Wilian, Isaias, Elias, Rafael Carlos, por toda a ajuda no dia-dia. Obrigada, e muito sucesso pra vocês! E pelos que por lá passaram e deixaram sua amizade: Mathias, Luiz, Camila, Ernesto, Renata e Rafael, valeu!
A grande amiga Ana Lúcia, gostaria de deixar registrado meu agradecimento por sua amizade e minha admiração por sua luta. Ana, que Deus a tenha em um lugarzinho muito especial pertinho Dele!
Aos colegas do LQBM e LQC, em especial ao Raphael Enoque, Fernando, Irlene, Marcos, Helen por toda atenção de sempre!
Aos funcionários do IQ, em especial a Claudinha, Milene, Sônia, Márcia, Fabi, Daniel, Raquel e Renata pelo apoio na caracterização das amostras.
Aos colegas do Quimmera – UNIARA, Prof. Wilton Rogério Lustri, Prof. André C. Amaral, Silmara e Renata pelos ensaios microbiológicos e principalmente pela preciosa amizade. Obrigada!
A Profa. Fanny Bèron, do IFGW-UNICAMP, pela disponibilidade na realização das
medidas de VSM e pelas valiosas discussões e ao Dr. Carlos Sato, do LNLS, pela atenção na realização das medidas de hipertermia magnética.
A Dra. Luciana Maria de Hollanda, do IB-UNICAMP, pelos ensaios de citotoxicidade.
Fabiana Cristina Andrade Corbi
Curriculum Vitae
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Nome Fabiana Cristina Andrade Corbi
Filiação Flávio Tadeu Ferreira de Andrade e Mara Sueli Martins de Andrade
Data de Nascimento: 09/05/1977 Naturalidade: São Paulo – SP Nacionalidade: Brasileira
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Formação acadêmica/titulação
2010 - 2014 Doutorado em Química.
Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas-SP. Título: Sistemas magnéticos multicomponentes nanoestruturados hierarquicamente com propriedades biológicas e luminescentes. Orientador: Prof. Dr. Italo Odone Mazali
Bolsista: CNPq-Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico.
1999 - 2001 Mestrado em Química.
Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP, Araraquara-SP.
Título: Oxissulfetos e óxidos de ítrio dopados com Eu(III), Tb(III) e Tm(III) morfologicamente controlados: síntese e propriedades luminescentes.
Orientadora: Profª. Drª. Elizabeth Berwerth Stucchi
Bolsista: CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior.
1995 - 1998 Graduação em Bacharelado em Química.
Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP, Araraquara-SP.
Bolsista: CAPES/PET-Programa Especial de Treinamento
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Artigos completos publicados em periódicos
1. De Carvalho, M. A., Andrade, P. F., Corbi, F. C. A., Gonçalves, M. C., Formiga, A. L. B., Mazali, I. O., Bonacin, J. A., Corbi, P. P. A simple method to synthesize fluorescent modified gold nanoparticles using tryptamine as the reducing and capping agent.
Synthetic Met., 2013, 185-186, 61-65.
2. Bergamini, F. R. G., Ferreira, M. A., De Paiva, R. E. F., Gomes, A. F., Gozzo, F. C., Formiga, A. L. B., Corbi, F. C. A., Mazali, I. O., Alves, D. A., Lancelotti, M., Corbi, P. P. A binuclear silver complex with l-buthionine sulfoximine: synthesis, spectroscopic characterization, DFT studies and antibacterial assays. RSC Advances, 2012, 2, 10372-10379.
3. Antonio, S. G., Paiva-Santos, C. O., Corbi, P. P., Massabni, A. C., Andrade, F. C. Powder X-ray characterization of lithium thiazolidine-4-carboxylate. Powder Diffr., 2009, 24, 44-47.
4. Corbi, P. P., Andrade, F. C., Massabni, A. C., Heinrich, T., Souza, P. P. C., Costa-Neto, C. M. Lithium thiazolidine-4-carboxylate: Synthesis, spectroscopic characterization and preliminary in vitro cytotoxic studies in human HeLa cells. Spectrochim. Acta A, 2008, 71, 929-931.
5. Legendre, A. O., Andrade, F. C., Ananias, S. R., Mauro, A. E., Netto, A. V. G., Santos, R. H. A., Ferreira, J. G., Martins, F. R. 3D Hydrogen-bonded network built from copper(II) complexes of 1,3-propanediamine. J. Brazil. Chem. Soc., 2006, 17(8), 1683-1688.
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Participação em eventos científicos com apresentação de trabalho
1. Andrade, F. C., Sigoli, F. A., Mazali, I. O. Magnetic particles coated with porous silica: synthesis and magnetic properties. XII Brazilian MRS Meeting, Campos do Jordão-SP, 2013.
2. Corbi, F. C. A., Sigoli, F. A., Beron, F., Pirota, K. R., Mazali, I. O. Multifunctional core@shell nanostructures based in superparamagnetic particles. 7th International
Symposium on Advanced Materials and Nanostructures, Sorocaba-SP, 2012.
3. Corbi, F. C. A., Carneiro, N. M., Sigoli, F. A., Mazali, I. O. A influência do solvente na síntese hidrotérmica de nanopartículas magnéticas de óxido de ferro. 22ª Reunião
Anual de Usuários do LNLS, Campinas-SP, 2012.
4. Corbi, F. C. A., Beron, F., Pirota, K. R., Sigoli, F. A., Mazali, I. O. Sistemas magnéticos nanoestruturados multifuncionais do tipo Fe3O4@SiO2. 35ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, Águas de Lindóia-SP, 2012.
5. Corbi, F. C. A., Sigoli, F. A., Mazali, I. O. Influência do contra-íon na obtenção de nanopartículas magnéticas. 34ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química,
Florianópolis-SC, 2011.
6. Andrade, F. C., Stucchi, E. B., Pires, A. M., Davolos, M. R. Monodispersed Eu(III), Tb(III) e Tm(III) doped Y2O3 as precursor of luminescent thin films. Rare earths’, Campos do Jordão-SP, 2001.
7. Andrade, F. C., Davolos, M. R., Vila, L. D., Stucchi, E. B., Pires, A. M. Oxissulfatos de ítrio monodispersos dopados com Eu(III), Tb(III) e Tm(III) obtidos a partir de decomposição térmica de hidroxicarbonatos. 24ª Reunião Anual da Sociedade
Brasileira de Química, Poços de Caldas-SP, 2001.
8. Andrade, F. C., Stucchi, E. B., Vila, L. D., Pires, A. M., Davolos, M. R. Monodispersed europium(III) doped ytrium oxysulfide as base of luminescent thin films. XII Symposium
on Non-Oxide Glasses and Advanced Materials, Florianópolis-SC, 2000.
9. Mauro, A. E., Martins, F. R., Santos, R. H. A., Andrade, F. C. Síntese e caracterização estrutural do di-µ-cianato-bis[{cianato(1,3-propanodiamina)}cobre(II)].
23ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, Poços de Caldas-SP, 2000. 10. Andrade, F. C., Vila, L. D., Stucchi, E. B., Pires, A. M., Davolos, M. R. Obtenção de Filmes Luminescentes a partir de suspensões de oxissulfetos de ítrio dopados com európio(III). 12º Encontro da Sociedade Regional de Química, Ribeirão Preto-SP, 1999. 11. Andrade, F. C., Vila, L. D., Stucchi, E. B., Pires, A. M., Davolos, M. R. Obtenção de Filmes Luminescentes a partir de suspensões de oxissulfetos de ítrio dopados com európio(III). 29ª Semana da Química / 1ª Jornada da Pós-Graduação e Pesquisa do
_________________________________________________________________
Prêmios e Títulos
1. Certificado de Honra ao Mérito do Instituto de Química da Unesp/Araraquara e Prêmio Lavoisier do Conselho Regional de Química/CRQ-IV como Melhor Aluna do Curso de Química (Bacharelado) da Turma de 1998.
RESUMO
Sistemas
magnéticos
multicomponentes
nanoestruturados
hierarquicamente com propriedades biológicas e luminescentes.
Na busca de um material multifuncional, esta Tese propõe a síntese de uma nanoestrutura hierárquica caroço@casca, sendo o caroço de magnetita e a casca de sílica mesoporosa. Desta combinação surge uma plataforma magneto-porosa que, além das propriedades magnéticas, pode apresentar outras propriedades de acordo com a espécie incorporada na camada de sílica. As partículas do caroço magnético foram obtidas via síntese solvotérmica a partir de cloreto de ferro(III) controlando-se a fase cristalina e a morfologia. A casca de sílica mesoporosa foi obtida via método sol-gel a partir do tetraetilortossilicato (TEOS), sendo o brometo de cetiltrimetilamônio o agente direcionador na formação dos poros. A fase cristalina foi caracterizada por medidas de difração de raios X (XRD), espectroscopia no infravermelho (IR) e Raman, e termogravimetria (TGA/DTA). A morfologia e a nanoestruturação do sistema foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura (SEM), enquanto que as propriedades magnéticas foram determinadas por magnetometria de amostra vibrante (VSM), SQUID e hipertermia magnética. Em um primeiro momento, investigou-se a potencialidade do sistema no carregamento e liberação de fármacos utilizando-se um fármaco antibacteriano, a levofloxacina. Para a plataforma carregada com levofloxacina foram realizados ensaios de atividade antibacteriana, os quais demonstraram que o sistema apresenta atividade contra cepas Gram-positivas e Gram-negativas. Ensaios de citotoxicidade mostraram que tanto as partículas de magnetita quanto a plataforma magneto-porosa não são citotóxicas para células saudáveis (NIH/3T3) o que viabiliza s ua ap l i caç ão b i o ló gi ca. O c om p lexo l um i ne sce nt e diaquatris(tenoiltrifluoroacetonato)európio(III) foi incorporado à plataforma e o monitoramento do tempo de vida da emissão do complexo em função da temperatura revelou que o sistema funciona como uma sonda de temperatura, considerando-se que foi obtida uma variação linear de temperatura na faixa de interesse biológico (entre
36-45 °C). Nas medidas de hipertermia magnética a plataforma magneto-porosa elevou a temperatura da água em 8 °C. Aliando a este resultado à propriedade de sonda de temperatura, teríamos um termômetro que poderia ser utilizado in situ em procedimentos de terapia do câncer por aquecimento. Portanto, o conjunto de resultados obtidos revela que foi possível obter uma plataforma magneto-porosa multifuncional, e que diferentes ensaios podem ser realizados com o sistema visando diversas aplicações.
Palavras-chave: magnetita, sílica mesoporosa, caroço@casca, magnetismo, liberação controlada, citotoxicidade, luminescência, hipertermia.
ABSTRACT
Multicomponent hierarquically nanostructured magnetic system with
biological and luminescents properties.
Due to the high versatility, the core@shell nanostructures represent a class of materials in the interface between chemistry and different areas, in which they find applications. Among them, the biomedical and pharmaceutical, catalysis and photoluminescence applications can be emphasized. Searching for a multifunctional material, this Thesis proposes the synthesis of a hierarchical nanostructure core@shell, being the core of magnetite and the shell of mesoporous silica. From this arrangement a magneto-porous platform is obtained, in which besides the magnetic property other properties can be achieved according to the species incorporated into the silica layer. The magnetic core was obtained by solvothermal synthesis from iron(III) chloride by controlling the crystalline phase and morphology. The shell of mesoporous silica was obtained by the sol-gel method from tetraethylorthosilicate (TEOS), being the cetyltrimethylammonium bromide the directing agent in the formation of pores. The crystalline phase was characterized by X-ray diffraction (XRD) measurements, infrared (IR) and Raman spectroscopies and thermogravimetry (TGA/DTA). The morphology and the nanostructure of the system were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), while the magnetic properties were determined by vibrating magnetometry sample (VSM), SQUID and magnetic hyperthermia. At first, we investigated the potential of the system in the loading and releasing of drugs using the antibiotic levofloxacin. Antibacterial assays have demonstrated that the system is active against Gram-positive and Gram-negative bacterial strains. Cytotoxicity assays showed that the particles of magnetite and the magneto-porous platform are not cytotoxic to healthy cells (NIH/3T3), which enables its biological application. The diaquatris(tenoyltrifluoroacetonate)europium(III) luminescent complex was incorporated into the platform and studies of monitoring lifetime of the emission of the complex as a function of temperature revealed that the system operates as a temperature probe, since a linear variation was observed in the temperature range of biological interest (between 36-45 °C). In magnetic hyperthermia measurements, in
the presence of the magneto-porous platform the water temperature was elevated by 8 ° C. Combining this result to the property of temperature probe, we could have a thermometer that may possibly be used in situ in cancer therapy procedures by heating. Therefore, the set of results show that it is possible to obtain a magneto-porous multifunctional platform and different assays may be performed with the system aiming for diverse applications.
Keywords: magnetite, mesoporous silica, core@shell, magnetism, drug delivery, cytotoxicity, luminescence, hyperthermia.
SUMÁRIO
LISTA DE SÍMBOLOS xxiii
LISTA DE ABREVIATURAS xxv
LISTA DE TABELAS xxvii
LISTA DE FIGURAS xxix
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO 1
1.1. Sistemas magnéticos multicomponentes 3
1.2. O comportamento magnético das NPM de Magnetita 8
1.3. Síntese de partículas magnéticas nanoestruturadas 15
1.3.1. Método da auto-organização induzida por evaporação 15
1.3.2. Síntese solvotérmica 16
1.4. Síntese de partículas magnéticas do tipo Fe3O4@SiO2 19
1.5. Aplicações dos sistemas magnéticos do tipo Fe3O4@SiO2 exploradas neste
trabalho 21
1.5.1. Liberação controlada de fármacos (drug delivery) 22
1.5.2. Hipertermia Magnética 25 1.5.3. Sistemas Magneto-Luminescentes 28
CAPÍTULO 2
OBJETIVOS 33 2.1. Objetivo geral 33 2.2. Objetivos específicos 33CAPÍTULO 3
PARTE EXPERIMENTAL 35
3.1. Reagentes Utilizados 35
3.2. Síntese da plataforma magneto-porosa do tipo Fe3O4@dSiO2@2mSiO2 36
3.2.1. Síntese das partículas magnéticas constituintes do caroço da plataforma
magneto-porosa 36
3.2.2. Deposição da sílica densa (dSiO2) 36
3.2.3. Deposição das camadas de sílica mesoporosa (mSiO2) 37
3.2.4. Remoção do CTAB das amostras Fe3O4@dSiO2@1mSiO2-CTAB e
Fe3O4@dSiO2@2mSiO2-CTAB 37
3.3. Funcionalização da plataforma magneto-porosa 38
3.3.1. Carregamento da levofloxacina na plataforma Fe3O4@dSiO2@2mSiO2 38
3.3.2. Incorporação do complexo [Eu(tta)3(H2O)2] à plataforma
Fe3O4@dSiO2@2mSiO2 38
3.4. Caracterização 39
3.4.1. Difratometria de raios X (XRD) 39
3.4.2. Espectroscopia vibracional de absorção no infravermelho (IR) 39
3.4.3. Análise termogravimétrica (TGA/DTA) 39
3.4.4. Espectroscopia Raman 40
3.4.5. Microscopia eletrônica de varredura (SEM) 40
3.4.6. Isotermas de adsorção e dessorção de N2 40
3.4.7. Caracterização magnética 40
3.4.8. Espectroscopia eletrônica de absorção no UV-Vis (UV-Vis) 42
3.4.9. Espectroscopia de luminescência (LE) 42
3.4.10. Estudos de cinética de liberação da LEVO 43
3.4.12. Ensaios de Citotoxicidade 46
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÕES 49
4.1. Caracterização química, estrutural e morfológica das partículas magnéticas
do caroço 49
4.2. Caracterização química, estrutural e morfológica da plataforma
magneto-porosa caroço@casca do tipo Fe3O4@dSiO2@mSiO2 64
4.3. Comportamento magnético das amostras do caroço e da plataforma
magneto-porosa 76
4.3.1. Caracterização por VSM 76
4.3.2. Caracterização por SQUID 80
4.3.3. Hipertermia magnética 84
4.4. Caracterização das amostras contendo LEVO 87
4.4.1. Estudos de Cinética de Liberação da LEVO 90
4.4.2. Análises Microbiológicas 91
4.5. Caracterização das amostras contendo Eutta 94
4.6. Ensaios de citotoxicidade 101
CAPÍTULO 5
CONSIDERAÇÕES FINAIS E PERSPECTIVAS 105
CAPÍTULO 6
LISTA DE SÍMBOLOS
λ Comprimento de ondaν Estiramento de uma ligação química
δ Deformação angular de uma ligação química φ Diâmetro de poro
λem Comprimento de onda de emissão
λexc Comprimento de onda de excitação
λFO Fator de ocupação
∆T Variação de temperatura ∆t Variação do tempo
a, c Parâmetros de rede
B0 Campo magnético aplicado
Bm Largura a meia altura do pico de difração mais intenso da amostra
Bs Largura a meia altura do pico de difração mais intenso do padrão de
silício
cfc Sistema cristalino cúbico de face centrada
d Orbital
d Camada densa de sílica D Diâmetro de cristalito Dc Diâmetro crítico dhkl Distância interplanar f Frequência h, k, l Índices de Miller Hc Coercividade k Constante de forma K Constante anisotrópica kb Constante de Boltzmann M Magnetização
ma Massa de amostra magnética
Mr Magnetização remanente
Ms Magnetização de saturação
Q+ Forma protonada da molécula de levofloxacina Q± Forma zwiteriônica da molécula de levofloxacina
TB Temperatura de bloqueio
Tirr Temperatura de irreversibilidade
LISTA DE ABREVIATURAS
A549 Células de câncer pulmonar
AMF Campo magnético alternado, do inglês Alterning Magnetic Field APTEOS Aminopropiltrietoxissilano
ATCC American Type Culture Collection
BET Braunauer-Emmet-Teller
BHI Brain Heart Infusion
BJH Barret-Joyner-Halenda
CID Ciclos de impregnação e decomposição CLSI Clinical and Laboratory Standards Institute
CPQBA Centro Pluridiscipilnar de Pesquisas Químicas, Biológicas e Agrícolas da Unicamp
CTAB Brometo de cetiltrimetilamônio DBM Dibenzoilmetanato
EDTA Ácido etilenodiamonotetraacético EG Etilenoglicol
FC Field Cooling
FCM Faculdade de Ciências Médicas da Unicamp IB Instituto de Biologia da Unicamp
IFGW Instituto de Física Gleb Wataghin - Unicamp IR Espectroscopia de absorção no infravermelho IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry
JCPDS Joint Committe on Powder Diffaction Standards
LE Espectroscopia de luminescência LEVO Levofloxacina
LMBT Laboratório de Materiais a Baixas Temperaturas do IFGW da Unicamp LMEOA Laboratório Multiusuário de Espectroscopia Óptica Avançada do IQ da
Unicamp
LMF Laboratório de Materiais Funcionais do IQ da Unicamp MCM Mobil Composition of Matter
MCSP Suprapartículas magnéticas, do inglês Magnetic Colloidal Supraparticle MH Ágar Müller-Hinton
MTT (3-brometo de [4,5-dimetil-2-tiazolil]-2,5-difenil-tetrazólio) NG97 Células de câncer cerebral
NIH/3T3 Células de fibroblastos de rato NP Nanopartículas
NPM Nanopartículas magnéticas PANC-1 Células de câncer de pâncreas PDMS polidimetilssiloxano
PEG polietilenoglicol PGA Ácido poliglicólico PVC Cloreto polivinílico
PVG Vidro poroso Vycor, do inglês Porous Vycor Glass RM Ressonância magnética
RMI Ressonância magnética por imagem RPMI Roswell Park Memorial Institute Medium
SAR Taxa de Absorção Específica, do inglês Specific Absorption Rate
SEM Microscopia eletrônica de varredura, do inglês Scanning Electron
Microscopy
SFB Soro Fetal Bovino
SQUID Superconducting Quantum Interference Device
TEM Microscopia eletrônica de transmissão, do inglês Transmission Electron
Microscopy
TEOS Tetraetilortossilicato
TGA/DTA Análise termogravimétrica / Análise Térmica Diferencial tta Tenoiltrifluoroacetonato
UFF Universal Field Force
UV-Vis Espectroscopia de absorção no UV-Vis
VSM Magnetometria de amostra vibrante, do inglês Vibrating Sample
Magnetometry
XRD Difratometria de raios X ZFC Zero Field Cooling
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Fórmula química, procedência e grau de pureza dos reagentes utilizados neste trabalho. ... 35 Tabela 2. Atribuições dos principais modos vibracionais observados para as amostras Fe_Cl e Fe_NO3.87,89,90 ... 55
Tabela 3. Diferentes fases cristalinas de óxido de ferro e os respectivos modos vibracionais observados no espectro Raman.91 ... 55 Tabela 4. Valores calculados do diâmetro médio das partículas do caroço de Fe3O4 e
recobertas com uma e duas camadas de sílica. Estimativa da espessura da casca obtida em cada etapa de recobrimento. ... 69 Tabela 5. Valores de área superficial específica, diâmetro e volume de poros para as amostras do caroço de magnetita e da plataforma. ... 75 Tabela 6. Magnetização de saturação (Ms), magnetização remanente (Mr), coercividade
(Hc) e % de Fe3O4 das amostras do caroço e das amostras recobertas com sílica. 79
Tabela 7. Resultados obtidos das leituras dos halos de inibição gerados pelas amostras de LEVO livre (L), da plataforma Fe3O4@dSiO2@2mSiO2 sem a levo (P) e da
plataforma carregada com a LEVO Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_LEVO (PL), nos ensaio
realizado com ímã e com laser nas placas contendo S. aureus. Na última coluna são apresentados os resultados obtidos na ausência do ímã e do laser (controle). ... 93 Tabela 8. Resultados obtidos das leituras dos halos de inibição gerados pelas amostras de LEVO livre (L), da plataforma Fe3O4@dSiO2@2mSiO2 sem a levo (P) e da
plataforma carregada com a LEVO Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_LEVO (PL), nos ensaio
realizado com ímã e com laser nas placas contendo P. aeruginosa. Na última coluna são apresentados os resultados obtidos na ausência do ímã e do laser (controle). 94 Tabela 9. Valores de tempo de vida obtidos para as amostras nas temperaturas de 20 °C – 60 °C. ... 99
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Representação esquemática das NPM de Fe3O4@Au [Adaptado da referência
25] ... 5 Figura 2. (a) e (b) Micrografias TEM das amostras Fe3O4 e Fe3O4@ZrO2,
respectivamente, sintetizadas por Peng et al.26; (c) e (d) Comportamento da amostra Fe3O4@ZrO2 na ausência e na presença de campo magnético, respectivamente.
[Retirado da referência 26].. ... 6 Figura 3. Micrografias SEM das amostras: (a) Fe3O4; (b) Fe3O4@SiO2; sintetizadas por
Wang et al.27 (c) e (d) Micrografias de TEM da amostra Fe3O4@SiO2.[Retirado da
referência 27] ... 7 Figura 4. (a) Ilustração da metodologia de síntese das microesferas magnéticas ocas de sílica. Micrografias SEM das amostras: (a) Dextrano; (b) Dextrano/Fe3O4; (c)
Fe3O4@SiO2. [Adaptado da referência 28] ... 8
Figura 5. Ilustração da estrutura do tipo espinélio inverso da magnetita, destacando os sítios tetraédricos, ocupados por íons Fe(III), e octaédricos ocupados por íons Fe(II) e
Fe(III). [Adaptado da referência 29] 9
Figura 6. Curvas de magnetização em função do campo aplicado para um material: (a) paramagnético; (b) ferromagnético e (c) superparamagnético. [Adaptado da referência 31] ... 11 Figura 7. Curva ZFC-FC de nanopartículas superparamagnéticas de ferritas de cobalto. [Adaptado da referência 34]. ... 13 Figura 8. Partículas de magnetita obtidas por Wang e Jiang45 a partir da síntese
solvotérmica variando-se a concentração de PEG: (a) 2 mmol L-1 e (b) 6 mmol L-1.[Retirado da referência 45] ... 17
Figura 9. Micrografias SEM das amostras sintetizadas por Jean, et al.46 variando-se a
concentração do ferro(III): (a) e (b) [Fe3+] = 0,3 mmol L-1 e (c) e (d) [Fe3+] = 0,8 mmol L-1.[Retirado da referência 46]. ... 18
Figura 10. (a) e (b) Micrografias SEM das amostra de Fe3O4, obtidas a partir do nitrato
de ferro(IIII).[Retirado da referência 47] ... 19 Figura 11. Aplicações biomédicas das NPM.[Retiradoda referência 55] ... 22
Figura 12. Molécula de levofloxacina utilizada na funcionalização da platafoagneto-porosa para estudos de carregamento e liberação de fármacos. ... 25 Figura 13. Mecanismos de geração de calor em sistemas: (a) Ferro e ferrimagnéticos; (b) Superparamagnéticos [Adaptado da referência 63]. ... 26 Figura 14. Variação da SAR em função do diâmetro e da Hc de partículas de Fe3O4,
valores obtidos sob campo de 32,5 kA m-1 e freqüência de 80 kHz.[Retirado da
referência 68] ... 28 Figura 15. Complexo diaquatris(tenoiltrifluoroacetonato)európio(III), utilizado nos estudos de sensoriamento de temperatura. ... 31 Figura 16. (a) Equipamento de indução magnética; (b) Compartimento que contém a amostra. Em destaque: (i) a bobina de 8 voltas; (ii) o porta-amostras de isopor e (iii) o termômetro acoplado ao frasco contendo a amostra. ... 42 Figura 17. Balança agitadora utilizada nos ensaios de liberação da LEVO. ... 43 Figura 18. Esquema de montagem dos ensaios microbiológicos realizados na presença de um campo magnético externo (ímã). ... 45 Figura 19. Esquema de montagem dos ensaios microbiológicos realizados na presença de um campo eletromagnético externo (laser). ... 45 Figura 20. Difratograma de raios X da amostra Fe_Cl, destacando os planos de difração e o padrão da magnetita (JCPDS 19-0629). ... 49 Figura 21. Difratograma de raios X da amostra Fe_NO3 destacando as diferentes fases
presentes na amostra e os padrões utilizados na indexação. (Magnetita - JCPDS 19-629; Hematita - JCPDS 33-664; Oxo-hidroxo acetato de ferro(III) hidratado - JCPDS 50-290). ... 51 Figura 22. Espectros no infravermelho referente ao estiramento da ligação Fe-O nos diferentes óxidos de ferro: hematita, magnetita e maguemita. [Adaptado da referência 86] ... 52 Figura 23. Espectro de absorção no infravermelho da amostra Fe_Cl. ... 53 Figura 24. Espectros de absorção no infravermelho da amostra Fe_NO3. ... 54
Figura 25. Interconversão entre as diferentes fases do óxido de ferro magnetita, maguemita e hematita, destacando a: (a)Temperatura e (b) Equações químicas. .. 55
Figura 26. Espectros Raman das amostras Fe_Cl com diferentes potências de laser e da amostra Fe_NO3. ... 56
Figura 27. Curvas TGA/DTA das amostras: (a) Fe_Cl e (b) Fe_NO3. ... 58
Figura 28. (a), (b) e (c) Micrografias SEM da amostra Fe_Cl. ... 61 Figura 29. Histograma da distribuição do diâmetro dos nanogrãos e do diâmetro de partícula para a amostra Fe_Cl. ... 62 Figura 30. Ilustração do processo de formação das microesferas magnéticas obtidas a partir do cloreto de ferro(III). [Adaptado da referência 45] ... 63 Figura 31. (a) e (b) Micrografias SEM da amostra Fe_NO3. ... 63
Figura 32. Ilustração do procedimento de recobrimento das partículas de Fe3O4 com
sílica. ... 64 Figura 33. Difratogramas de raios X do Fe3O4 e das plataformas magneto-porosas.66
Figura 34. Espectros de absorção no infravermelho das amostras Fe3O4 e das
plataformas magneto-porosas.. ... 66 Figura 35. Micrografias de SEM das amostras: (a) e (b) Fe3O4@dSiO2@1mSiO2; (c) e
(d) Fe3O4@dSiO2@2mSiO2. ... 68
Figura 36. Histogramas da distribuição da espessura da casca de sílica (esquerda), do diâmetro do caroço de Fe3O4 (centro) e do diâmetro da partículas recobertas (esquerda)
para as amostras: (a) Fe3O4@dSiO2@1mSiO2; e (b) Fe3O4@dSiO2@2mSiO2. ... 69
Figura 37. Classificação das isotermas de adsorção/dessorção segundo a IUPAC.10170 Figura 38. Isotermas de adsroção/dessorção de N2 das amostras: a) Fe3O4; b)
Fe3O4@dSiO2@1mSiO2 e c) Fe3O4@dSiO2@2mSiO2. (Regiões destacas nas
isotermas: 1 = microporos, 2 = força de tensão e 3 = porosidade secundária) ... 72 Figura 39. Classificação dos ciclos de histerese em materiais mesoporosos segundo a IUPAC.101... 73 Figura 40. Comportamento das partículas do caroço de Fe3O4 suspensas em água
deionizada: (a) Na ausência do campo magnético; (b) Na presença do campo magnético. ... 76 Figura 41. (a) Curvas de magnetização das amostras Fe3O4, Fe3O4@dSiO2@1mSiO2 e
Fe3O4@dSiO2@2mSiO2, obtidas à temperatura ambiente; (b) Ampliação das curvas de
Figura 42. Curvas ZFC-FC para a amostra (a) Fe3O4 e (b) Fe3O4@dSiO2@2mSiO2,
com campo aplicado igual a 50 Oe. ... 81 Figura 43. Curva de magnetização das amostras Fe3O4 e Fe3O4@dSiO2@2mSiO2
medidas a 5 K. ... 83 Figura 44. Curvas de variação da temperatura em função do tempo das amostras: (a) Fe3O4 e (b) Fe3O4@dSiO2@2mSiO2. ... 85
Figura 45. Curvas de SAR em função do campo para as amostras: (a) Fe3O4 e (b)
Fe3O4@dSiO2@2mSiO2. ... 86
Figura 46. a) Espectros de excitação das amostras Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_LEVO e LEVO pura; em destaque o espectro de excitação da amostra Fe3O4@dSiO2@2mSiO2; (b) Espectros de emissão das amostras
Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_LEVO e LEVO pura; em destaque o espectro de emissão da
amostra Fe3O4@dSiO2@2mSiO2. ... 89
Figura 47. Curva de liberação da LEVO em água obtida à temperatura ambiente. . 90 Figura 48. Halos de inibição de crescimento da bactéria S. aureus nos ensaios realizados: (a) na presença do campo magnético constante (ímã); (b) na presença do
laser e (c) controle, obtido na ausência do ímã e do laser (d). Identificação das
amostras: LEVO = levofloxacina pura, P = Fe3O4@dSiO2@2mSiO2 e P_LEVO =
Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_LEVO... 92
Figura 49. Halos de inibição de crescimento da bactéria P. aeruginosa nos ensaios realizados: (a) na presença do campo magnético constante (ímã); (b) na presença do
laser e (c) controle, obtido na ausência do ímã e do laser. Identificação das amostras:
LEVO = levofloxacina pura, P = Fe3O4@dSiO2@2mSiO2 e P_LEVO =
Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_LEVO... 93
Figura 50. Espectros: (a) excitação (λλλλem = 611 nm); (b) emissão (λλλλexc = 367 nm), do
complexo Eutta. ... 95 Figura 51. Espectros da amostra Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_Eutta, antes do e após
aquecimento a 60 °C: (a) excitação (λem = 615 nm) e (b) emissão (λexc = 340 nm) . 96
Figura 52. (a) Curvas de decaimento radiativo da amostra
Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_Eutta em diferentes temperaturas; (b) Variação do tempo de
vida do nível 5D
Figura 53. Espectro da amostra Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_200_Eutta: excitação (λλλλem =
615 nm) e (b) (λλλλ exc = 346 nm). *Sinal referente a harmônico. ... 100
Figura 54. (a) Curvas de decaimento radiativo da amostra
Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_200_Eutta; (b) Variação do tempo de vida da amostra
Fe3O4@dSiO2@2mSiO2_200_Eutta com a temperatura. ... 101
Figura 55. Resultados obtidos dos ensaios de citotoxicidade por MTT, das amostras Fe3O4 e Fe3O4@dSiO2@2mSiO2 para células NIH/3T3. ... 102
Figura 56. Resultados obtidos dos ensaios de citotoxicidade por MTT, das amostras Fe3O4 e Fe3O4@dSiO2@2mSiO2 para diferentes culturas de células: (a) A549; (b) NG97
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
A concepção da utilização dos materiais em escala nanométrica e suas propriedades na construção de sistemas miniaturizados inseriu uma nova variável dentro da Química do Estado Sólido: o efeito de confinamento quântico por tamanho, ou seja, abaixo de um raio crítico as propriedades de um determinado material podem se tornar dependentes do tamanho1. Desde então, surgem duas novas importantes variáveis dentro da Química dos Materiais que são: a morfologia e a estruturação hierárquica. Desta forma, os projetos de pesquisa desenvolvidos no Laboratório de Materiais Funcionais (LMF) da UNICAMP, baseiam-se na investigação da relação entre o tamanho, a morfologia e a estruturação hierárquica com as diferentes propriedades apresentadas pelos materiais obtidos.
Com relação ao controle da morfologia e tamanho de nanopartículas, o LMF desenvolveu uma metodologia baseada em ciclos de impregnação-decomposição (CID) de compostos metalorgânicos em matrizes vítreas porosas, que leva a formação de nanopartículas in situ confinadas nos poros da matriz. Diferentes sistemas contendo nanopartículas de óxidos semicondutores, como TiO2, CeO2, MoO3, WO3 e ZnO em
matrizes do tipo PVG (vidro poroso Vycor, do inglês Porous Vycor Glass) foram estudados mostrando que o confinamento das nanopartículas permite o controle do tamanho e, consequentemente, a modulação de suas propriedades2,3,4,5. As principais técnicas utilizadas na caracterização desses materiais foram a espectroscopia na região do UV-Vis e Raman.
Os estudos das estruturas caroço@casca surgiram dos resultados dos trabalhos apresentados acima que mostraram que a metodologia proposta poderia levar a formação de estruturas multicomponentes a partir da alternância dos compostos metalorgânicos nos CID. Neste contexto, diferentes sistemas multicomponentes do tipo caroço@casca de óxidos semicondutores em matrizes vítreas foram investigados6,7,8.
Sistemas químicos magnéticos baseados em óxidos de ferro e níquel também foram obtidos a partir da mesma metodologia. No caso da maguemita, γ-Fe2O3, o
confinamento das partículas magnéticas nos poros da matriz vítrea possibilitou a obtenção de nanopartículas superparamagnéticas seguindo um modelo bem estabelecido para partículas que não exibem interação inter-partícula9.
Neste contexto, este trabalho propõe a síntese e caracterização de uma nanoestrutura caroço@casca magnética, tendo a magnetita como caroço e a sílica mesoporosa como casca. A escolha da propriedade magnética surge da proposta de se construir uma partícula multifuncional que possa atuar na liberação de fármacos, gerar calor por hipertermia magnética e, além disso, ser capaz de quantificar o calor liberado
in situ, atuando como sonda de temperatura.
Assim, inicialmente nesta introdução serão apresentados diferentes sistemas magnéticos caroço@casca e suas potencialidades de aplicações. Em seguida serão discutidas as propriedades da magnetita nanoestruturada que justificam a escolha desta fase para a constituição do caroço da plataforma magneto-porosa proposta nesta Tese. Diferentes metodologias de síntese são descritas na literatura para a síntese de magnetita nanoestruturada. A síntese solvotérmica recebe destaque uma vez que foi a metodologia utilizada neste trabalho. A obtenção dos sistemas caroço@casca é descrita a partir da metodologia sol-gel que envolve a hidrólise-condensação de um precursor alcóxido para formação da casca de sílica.
Dentre as diversas aplicações encontradas para os sistemas magnéticos do tipo magnetita-sílica, esta introdução contempla àquelas estudadas para o sistema proposto: liberação de fármacos, hipertermia magnética e sonda óptica de temperatura. Os demais capítulos apresentam os objetivos deste trabalho (Capítulo 2), as metodologias adotadas na síntese e funcionalização da plataforma magneto-porosa (Capítulo 3), a discussão dos resultados (Capítulo 4) e as considerações finais e perspectivas (Capítulo 5).
1.1. Sistemas magnéticos multicomponentes
No início da década de 80 do século passado, alguns trabalhos de pesquisas em semicondutores mostraram que partículas multicomponentes e/ou compósitos apresentavam melhora na eficiência do material quando comparadas às correspondentes partículas únicas e, em alguns casos, diferentes propriedades surgiam dessa nova estruturação10,11,12. Já na década de 90, pesquisadores sintetizaram semicondutores organizados em multicamadas concêntricas com o objetivo de melhorar suas propriedades. Tais materiais receberam a terminologia caroço@casca (do inglês, core@shell)12,13,14,15. Devido à demanda da tecnologia moderna, existe um aumento gradual no número de trabalhos envolvendo estruturas multicomponentes e, simultaneamente a este crescimento, o avanço nas técnicas de caracterização tem auxiliado na investigação e no desenvolvimento de diferentes estruturas caroço@casca. Uma grande vantagem das estruturas caroço@casca é que sua síntese pode ser planejada de acordo com a aplicação que se busca para o material final. A estrutura, o tamanho e a composição dessas partículas podem ser direcionados hierarquicamente durante o procedimento de síntese resultando em sistemas que podem apresentar propriedades magnéticas, ópticas, catalíticas ou biológicas16 e, sobretudo, uma combinação de duas ou mais propriedades. Devido a sua versatilidade, as nanoestruturas caroço@casca representam uma classe de materiais de fronteira entre a química e as diferentes áreas em que encontram aplicações, com destaque para aquelas em biomedicina, farmácia, catálise, fotoluminescência, dentre outras17. A
literatura descreve também outra importante aplicação das estruturas caroço@casca como precursores na síntese de partículas ocas, a partir da remoção do caroço por dissolução ou calcinação18,19,20,21.
Na grande maioria dos sistemas multicomponentes baseados em nanoestruturas do tipo caroço@casca, o caroço apresenta uma propriedade relevante (semicondutora, metálica, magnética) enquanto que a casca pode servir para estabilizar o caroço, criar compatibilidade entre o caroço e o meio em que a partícula será empregada, por exemplo, biocompatibilidade em sistemas biológicos, ou ainda modificar a carga superficial, funcionalidade ou reatividade da nanoestrutura22. A construção desses
sistemas pode acontecer em uma única etapa ou, mais comumente, a partir da modificação da superfície das partículas do caroço previamente sintetizado. A modificação da superfície do caroço para formação da casca pode acontecer através de reações químicas, adsorção de moléculas ou pequenas partículas ou ainda por processos de auto-organização (self-assembly) e ligações cruzadas (crosslinking) de macromoléculas23.
Nanopartículas (NP) de magnetita (Fe3O4) e maguemita (γ-Fe2O3) têm sido
largamente utilizadas como caroço na construção de sistemas magnéticos multicomponentes do tipo caroço@casca. A combinação entre um caroço e uma casca, sendo um deles magnético, confere multifuncionalidade à partícula obtida. Enquanto sistemas monofuncionais provêm uma simples função – um quantum dot pode exibir alta fluorescência, mas não pode ser removido de uma matriz por ação de um campo magnético – sistemas multifuncionais são capazes de reunir diferentes propriedades em uma única partícula, surgindo deste comportamento novas potencialidades de aplicação na área biomédica como carregadores de fármacos, agentes de contraste em imagens por ressonância magnética nuclear, hipertermia, biosseparação e biodetecção22,23,24.
Para os sistemas caroço@casca magnéticos, o recobrimento das partículas magnéticas é uma estratégia adotada para proteger a sua superfície de reações de oxidação e biodegradação e impedir a agregação das partículas, preservando assim suas propriedades magnéticas. Dependendo da aplicação que se busca para o sistema, o recobrimento pode ser constituído por moléculas orgânicas, como polímeros e biomoléculas, ou por camadas inorgânicas de sílica, metais, óxidos ou sulfetos metálicos22.
Nanopartículas magnéticas (NPM) recobertas com uma casca metálica podem ser encontradas no trabalho de Wang et al.25 que relata a síntese do sistema Fe3O4@Au. A multifuncionalidade da nanoestrutura é conferida pela casca de ouro
associada ao caroço magnético. A cobertura de Au confere estabilidade às NP do caroço contra oxidação em condições biológicas além de atuar como uma superfície atrativa para posterior funcionalização com biomoléculas. Tais características associadas às propriedades plasmônicas do Au em nanoescala torna o sistema Fe3O4@Au extremamente interessante para aplicações magnéticas, ópticas e
biomédicas. As NP do caroço e a casca de Au metálico foram obtidos a partir da decomposição térmica do acetilacetonato de ferro(III) e do acetato de ouro(III), respectivamente, na presença de ácido oleico e oleilamina. A decomposição ocorre sob refluxo tendo como solvente um poliol que atua também como agente redutor. Uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e a ilustração esquemática da NP Fe3O4@Au é mostrada na Figura 1.
Figura 1. Representação esquemática das NPM de Fe3O4@Au [Adaptado da referência
25].
No trabalho desenvolvido por Peng et al.26, a síntese sonoquímica foi utilizada
para a formação da casca no sistema Fe3O4@ZrO2, desenvolvido para aplicação como
biossensor na absorção de mioglobina. As NP de Fe3O4 foram inicialmente obtidas pelo
método da coprecipitação. Os dados de TEM, apresentados na Figura 2(a), revelam que as NP de Fe3O4 foram obtidas na forma esférica com diâmetro entre 6-10 nm. Após
o recobrimento com ZrO2, Figura 2(b), a morfologia é mantida e observa-se um
aumento de tamanho para 40-50 nm. A espessura da casca de ZrO2 determinada foi de
∼ 19 nm. As Figuras 2(c) e 2(d) mostram o comportamento das NPM na ausência e na presença de um campo magnético externo, respectivamente.
Fe3O4
Au
Figura 2. (a) e (b) Micrografias TEM das amostras Fe3O4 e Fe3O4@ZrO2,
respectivamente, sintetizadas por Peng et al.26; (c) e (d) Comportamento da amostra Fe3O4@ZrO2 na ausência e na presença de campo magnético, respectivamente.
[Retirado da referência 26]
Wang et al.27, descreveram a síntese de um sistema caroço@casca para detecção, adsorção e remoção de íons mercúrio de soluções aquosas. O caroço é constituído por NP de Fe3O4 de 10 nm e, após a deposição da sílica, as partículas
atingem diâmetro entre 50 e 60 nm. As partículas foram funcionalizadas com rodamina B para atuar como uma sonda seletiva e sensível de íons Hg(II) (limite de detecção de 10 ppb). A propriedade magnética do caroço facilita a remoção das partículas após adsorção do Hg(II) por aplicação de um campo magnético externo. Desta forma, as microesferas combinam as funções dos três componentes: molécula orgânica, casca mesoporosa e caroço magnético. A síntese do caroço foi realizada através do processo poliol e a formação da casca de sílica porosa ocorreu através da hidrólise-condensação do tetraetilortossilicato (TEOS). As micrografias de microscopia eletrônica de varredura (SEM) das amostras do caroço e do sistema multicamadas são apresentadas na Figura 3.
Figura 3.Micrografias SEM das amostras: (a) Fe3O4; (b) Fe3O4@SiO2, sintetizadas por
Wang et al.27 (c) e (d) Micrografias de TEM da amostra Fe
3O4@SiO2. [Retirado da
referência 27]
Um trabalho que ilustra claramente o processo de síntese de partículas multicomponentes hierarquicamente organizadas foi desenvolvido por Grumezescu et
al.28. Os autores descrevem a síntese de microesferas magnéticas ocas de sílica.
Inicialmente as NPM de Fe3O4 foram obtidas a partir do método da coprecipitação na
presença de microesferas de dextrano comercial (Fluka, diâmetro de partícula de ~50
µm). O sistema dextrano@Fe3O4 foi recoberto com uma casca de sílica que foi obtida a
partir do silicato de sódio. Após o tratamento térmico da amostra para remoção do caroço de dextrano, foram obtidas esferas magnéticas ocas de sílica conforme procedimento ilustrado na Figura 4(a). As Figuras 4(b-d) apresentam as micrografias de SEM das partículas de dextrano, dextrano@Fe3O4 e Fe3O4@SiO2, respectivamente. As
propriedades de carregador de fármacos do material foram exploradas a partir da investigação da atividade antimicrobiana de diferentes antibióticos utilizados no carregamento das partículas.
Figura 4. (a) Ilustração da metodologia de síntese das microesferas magnéticas ocas de sílica. Micrografias SEM das amostras: (a) Dextrano; (b) Dextrano/Fe3O4; (c)
Fe3O4@SiO2. [Adaptado da referência 28]
Os diferentes sistemas citados acima apresentam multifuncionalidade decorrente do comportamento magnético do caroço de magnetita utilizado na construção das estruturas caroço@casca. As nano e microesferas de magnetita, assim como de maguemita, apresentam propriedades superparamagnéticas que justificam os inúmeros trabalhos descritos na literatura envolvendo sua síntese, caracterização e utilização na construção de sistemas multicomponentes para diferentes aplicações. Essa propriedade magnética será apresentada para a magnetita uma vez que foi este o caroço proposto para a obtenção dos sistemas multicomponentes desenvolvidos nesta Tese.
1.2. O comportamento magnético das NPM de Magnetita
A magnetita é uma ferrita constituída por íons Fe(III) e Fe(II). Sua fórmula química é FeO·Fe2O3, mas usualmente escrita como Fe3O4.
Como representado na Figura 5, a magnetita apresenta uma estrutura cristalina cúbica do tipo espinélio inverso, formada por sítios tetraédricos, ocupados por íons Fe(III), e sítios octaédricos ocupados por íons Fe(II) e Fe(III).
(a)
(c) (b)
(b) (c) (d)
A estrutura cúbica do tipo espinélio é constituída por oito células unitárias AB2O4,
onde A representa os sítios tetraédricos e B os sítios octaédricos. No total existem trinta e dois íons oxigênio em arranjo cúbico de face centrada (cfc), disponibilizando oito sítios tetraédricos e 16 sítios octaédricos. A magnetita é denominada espinélio inverso, pois, ao contrário do que ocorre na estrutura de espinélio normal (por exemplo MgAl2O4), os
sítios tetraédricos são ocupados por íons Fe(III), que ocupam também metade dos sítios octaédricos, enquanto a outra metade é ocupada por íons Fe(II).
a
a a
Sítio Tetraédrico - Fe(III)
Sítio Octaédrico – Fe(II) e Fe(III) Oxigênio
Figura 5. Ilustração da estrutura do tipo espinélio inverso da magnetita, destacando os sítios tetraédricos, ocupados por íons Fe(III), e octaédricos ocupados por íons Fe(II) e Fe(III). [Adaptado da referência 29]
O fato de muitos espinélios de metal d apresentarem estrutura do tipo espinélio inverso tem sido relacionado ao efeito das energias de estabilização do campo ligante no sítio de preferência dos íons. O fator de ocupação ( λFO) de um espinélio é definido
como a fração de átomos X nos sítios tetraédricos. Assim, λFO = 0 para um espinélio
normal e λFO = 0,5 para um espinélio inverso, XYXO4. De acordo com a literatura,
quando os íons X e Y são d0, a estrutura normal é preferida (λFO = 0), conforme previsto
com base em considerações eletrostáticas. Quando o íon Y(II) é d6, d7, d8 ou d9 e o íon X(III) é o Fe(III), geralmente tem-se a estrutura invertida (λFO = 0,5). Esta preferência
pode ser relacionada a energia de estabilização do campo ligante nesta condição ser nula para os íons Fe(III) d5 (spin alto) nos sítios octaédricos e tetraédricos e à estabilização dos outros íons dn no sítio octaédrico30.
Na magnetita os íons ferro dos diferentes sítios apresentam momentos de dipolo permanentes que interagem entre si, causando alinhamento antiparalelo dos spins. Apesar do alinhamento antiparalelo, os momentos dipolares não se anulam uma vez que são originados de sítios diferentes apresentando, portanto, módulos diferentes. Na presença de um campo magnético externo, os momentos dipolares resultantes alinham-se na direção e alinham-sentido de campo, resultando em valores elevados e positivos de susceptibilidade magnética. Essas propriedades são comuns em materiais ferrimagnéticos.
A resposta dos materiais sob ação de um campo magnético externo pode ser de origem atrativa ou repulsiva. A natureza dessas forças pode ser descrita em termos da formação de dipolos magnéticos (como barras magnéticas que possuem pólos opostos). Os materiais que, na ausência de um campo externo, não possuem dipolos magnéticos, são ditos diamagnéticos. A magnetização de um material diamagnético ocorre em direção oposta à do campo aplicado, resultando assim numa força repulsiva fraca. São exemplos de materiais diamagnéticos a água e a maioria dos polímeros orgânicos. Os materiais paramagnéticos apresentam dipolos magnéticos orientados aleatoriamente que, na presença de um campo magnético externo, alinham-se na direção do campo. A susceptibilidade magnética dos paramagnetos diminui com o aumento da temperatura, como previsto pela lei de Curie. A curva de magnetização de um material paramagnético é apresentada na Figura 6(a). Dentre os materiais paramagnéticos encontram-se os metais alcalinos, alcalinos-terrosos e de transição, como a platina31.
Tanto para um material ferrimagnético quanto para um material ferromagnético, os dipolos magnéticos existem mesmo na ausência de um campo magnético externo e exercem um efeito de longo alcance, exibindo um momento magnético permanente. Na curva de magnetização típica desses materiais (Figura 6(b)), a magnetização encontra-se encontra-sempre defasada do campo magnético aplicado, o que origina um ciclo de histereencontra-se, devido à presença de domínios magnéticos no material. O que classifica um material como ferro ou ferrimagnético é a origem dos momentos magnéticos permanentes existentes no material. Nos materiais ferromagnéticos o alinhamento dos momentos magnéticos atômicos acontece paralelamente enquanto que, nos materiais
ferrimagnéticos, este alinhamento é anti-paralelo, porém não nulo. Da curva de magnetização dos ferro ou ferrimagnetos é possível obter os valores de magnetização de saturação (Ms), caracterizado como o máximo da magnetização (M), a magnetização
remanente (Mr), atribuída a magnetização residual na ausência de campo, a
coercividade Hc, que representa o valor do campo externo necessário para
desmagnetizar o material (M = 0). Fe, Co e Ni são exemplos de ferromagnetos, enquanto os óxidos de ferro Fe3O4 e γ-Fe2O3 e as ferritas de Co, Ni e Mn são materiais
ferrimagnéticos32.
Figura 6. Curvas de magnetização em função do campo aplicado para um material: (a) paramagnético; (b) ferromagnético e (c) superparamagnético. [Adaptado da referência 31]
As propriedades magnéticas das NP ferromagnéticas tornam-se dependentes do tamanho quando o diâmetro das partículas é da ordem de 20 nm. Este diâmetro é denominado diâmetro crítico (Dc) e, nesta escala de tamanho, cada uma das NPM
(a)
(b)
comporta-se como um monodomínio magnético. Em um modelo ideal de monodomínios todos os spins atômicos são paralelos. Logo, as NPM reais são mais complexas e a interpretação das suas propriedades magnéticas deve considerar diferentes aspectos relacionados com o tamanho reduzido das partículas. Os spins atômicos localizados na superfície das partículas apresentam um comportamento diferente daqueles que se encontram no seu interior (bulk) com relação ao momento magnético, anisotropia e/ou inclinação (spin canting). Desta forma, ainda que seja considerada um monodomínio, dentro de uma única partícula são encontrados comportamentos magnéticos diferentes para os spins que irão refletir na resposta final do material32.
Por suas peculiaridades com relação ao comportamento magnético, as NPM que se enquadram no regime de monodomínio são classificadas como superparamagnéticas. Isso acontece porque abaixo de Dc, o material passa a ter
comportamento paramagnético, ou seja, sua magnetização aumenta com o aumento do campo externo aplicado e, reduz-se a zero na ausência do campo. Este fenômeno pode ser compreendido considerando-se que, não existindo interação entre os momentos magnéticos individuais de cada partícula monodomínio, para partículas menores que Dc, o momento magnético torna-se muito influenciado pela agitação térmica que afeta
diretamente o tempo de relaxação dos momentos magnéticos presentes32. Nesta escala de tamanho, as partículas superparamagnéticas podem ser saturadas (Ms) sob
aplicação de um campo externo, mas na ausência do campo (H = 0), seus momentos magnéticos são distribuídos aleatoriamente até M = 0 pela agitação térmica do sistema. Sendo assim, a curva de magnetização característica de nanopartículas superparamagnéticas não apresenta histerese, pode-se determinar uma magnetização de saturação (Ms) e a energia coerciva do sistema é igual a zero (Hc = 0). A Figura 6(c)
ilustra uma curva de magnetização típica de um material superparamagnético31.
Logo, a curva de magnetização em função do campo aplicado é rica em informações sobre o comportamento magnético dos materiais e pode ser obtida a partir da análise da amostra por uma técnica denominada magnetometria de amostra vibrante (VSM, do inglês Vibrating Sample Magnetometry). Uma técnica complementar utilizada na investigação de compostos superparamagnéticos é a obtenção da curva ZFC-FC (do inglês, Zero Field Cooling – Field Cooling) (Figura 7) em um equipamento do tipo
SQUID (do inglês, Superconducting Quantum Interference Device). Em uma primeira etapa, ZFC, a amostra é resfriada a uma determinada temperatura na ausência de campo externo, em seguida um pequeno campo é aplicado e a magnetização é medida. O campo aplicado é mantido constante durante todo o restante da medida. A segunda etapa consiste em aumentar a temperatura em pequenos intervalos e medir a magnetização. Depois de atingida uma determinada temperatura inicia-se a segunda etapa, FC, que consiste no resfriamento do sistema até a temperatura inicial, medindo-se a magnetização.
Figura 7. Curva ZFC-FC de nanopartículas superparamagnéticas de ferritas de cobalto. [Adaptado da referência 33]
Das curvas ZFC-FC (Figura 7) é possível extrair a temperatura de bloqueio (TB)
da amostra. Abaixo da TB as partículas são ferromagnéticas ou ferrimagnéticas e
apresentam comportamento irreversível caracterizado por coercividade e remanência, enquanto que acima da TB o comportamento é reversível. O ponto onde as duas curvas
se separam é o início da irreversibilidade do sistema. Acima da temperatura de irreversibilidade (Tirr) as partículas encontram-se desbloqueadas, ou seja, em regime
superparamagnético34.
M
a
g
n
e
ti
za
çã
o
(
M
a
g
n
e
ti
za
çã
o
(
M
a
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n
e
ti
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çã
o
(
M
a
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e
ti
za
çã
o
(
e
m
u
e
m
u
e
m
u
e
m
u
gggg
----1111))))
Temperatura (K)
Temperatura (K)
Temperatura (K)
Temperatura (K)
T
BT
irrAs propriedades magnéticas das NPM como a elevada Ms e Hc = 0, aliadas a
baixa toxicidade e elevada estabilidade química em meio fisiológico, permitem que elas sejam utilizadas em diferentes aplicações biomédicas, pertencentes a um ou mais dos grupos citados a seguir: (i) como agentes de contraste na obtenção de imagens por ressonância magnética; (ii) como agentes de hipertermia, onde as partículas magnéticas são aquecidas pela aplicação de um campo magnético de alta frequência; (iii) como vetores magnéticos que podem ser conduzidos a um alvo específico a partir da aplicação de campo externo atuando em um mecanismo de carregamento-liberação do fármaco e, (iv) como agentes de separação magnética em procedimentos de catálise e biosseparação35.
Uma aplicação biomédica para as NPM de Fe3O4 pode ser encontrada no
trabalho de Xiao et al.36 que investigaram a sua utilização em ensaios de imageamento
por ressonância magnética. Neste trabalho foram obtidas NPM de Fe3O4 de 5 nm, com
Ms igual a 47 emu g-1. As NPMs foram obtidas por síntese hidrotérmica e recobertas
com vitamina C. Ensaios de citotoxicidade com células humanas confirmaram a não toxicidade das partículas.
Shao et al.37 reportaram uma rota sintética para o preparo de uma matriz magnética baseada em NPM de Fe3O4 recobertas com sílica e hidróxido de alumínio.
As NPM de Fe3O4 foram obtidas via síntese solvotérmica e o diâmetro das partículas foi
estimado em 300 nm. A Ms observada para a magnetita foi igual a 80,7 emu g-1.
É interessante verificar nos dois sistemas citados acima os valores de MS para a
magnetita. No trabalho de Xiao et al.36, foi observada uma Ms de 47 emu g-1, para
partículas da ordem de 5 nm. Shao et al.37 encontraram Ms = 80,7 emu g-1, para
partículas da ordem de 300 nm. O valor de Ms observado no último trabalho citado37
encontra-se muito próximo do valor esperado para a magnetita bulk que é de 90 emu g-1 38. Este comportamento é decorrente principalmente dos efeitos de
superfície que afetam as propriedades magnéticas das NP diminuindo a Ms, como
discutido anteriormente, sendo mais pronunciados nas partículas de 5 nm.
Desta forma, é possível verificar que existe um compromisso entre o diâmetro da partícula e sua resposta magnética. Sendo assim essas propriedades podem ser moduladas durante o procedimento de síntese dependendo da aplicação que se busca
para o material. No nosso trabalho, como a proposta é a investigação do sistema no carreamento de fármacos e geração de calor para o tratamento de doenças, mais importante do que o tamanho reduzido da NPM, o ideal é que o material apresente elevada Ms, considerando que após o recobrimento com a sílica, a Ms tende a diminuir
devido a menor porcentagem de magnetita na amostra. Assim, a obtenção de microesferas de Fe3O4 com elevada Ms surgiu como primeiro desafio do projeto.
1.3. Síntese de partículas magnéticas nanoestruturadas
Com o objetivo de aumentar a resposta magnética do material de uma maneira controlada e preservando suas características superparamagnéticas, na literatura têm-se detêm-senvolvido metodologias que levam a auto-organização (têm-self-astêm-sembly) das NPM gerando sistemas submicrométricos (entre 100 e 1000 nm). Desta auto-organização surgem as partículas magnéticas nanoestruturadas, ou seja, formadas por um conjunto de nanopartículas (ou nanogrãos) gerando uma estrutura secundária denominada na literatura de partículas magnéticas submicrométricas, ou suprapartículas magnéticas (MCSP, do inglês Magnetic Colloidal Supraparticles)35. Para os sistemas construídos a partir das MCSP, observa-se que as propriedades superparamagnéticas das NPM individuais são conservadas, porém, com uma maior Ms.
Diferentes estratégias podem ser utilizadas na obtenção das MCSP. A síntese pode acontecer em duas etapas como no método da evaporação induzida ou, em uma única etapa, como a partir da síntese solvotérmica.
1.3.1. Método da auto-organização induzida por evaporação
Os primeiros resultados desta metodologia foram relatados em 1993 por Bibette39. Montagme et al.40 também publicaram importantes resultados neste período
inicial das pesquisas relacionadas à auto-organização induzida por evaporação41,42. O procedimento clássico de preparação pode ser descrito pelas seguintes etapas: (i) obtenção de um ferrofluido, ou seja, uma dispersão estável de NPM em um solvente orgânico; (ii) a partir do ferrofluido, gerar gotas magnéticas submicrométricas a partir da mistura com um surfactante e (iii) evaporação do solvente37-40.
1.3.2. Síntese solvotérmica
Para o nosso trabalho foi escolhida a síntese solvotérmica para a obtenção das partículas magnéticas. A síntese solvotérmica baseia-se nos mesmos princípios da síntese hidrotérmica e pode ser definida como uma reação química heterogênea que ocorre na presença de um solvente (aquoso ou não aquoso) em um sistema fechado (autoclave), sob pressão e temperatura elevadas.
As principais características dos materiais magnéticos obtidos por esta metodologia incluem: (i) excelente resposta magnética, permitindo sua condução por campos magnéticos externos; (ii) controle do tamanho da partícula na escala submicrométrica e (iii) baixo custo da síntese e elevados rendimentos, viabilizando sua produção em larga escala35.
O primeiro trabalho na literatura sobre a síntese solvotérmica de MCSP foi descrito por Deng et al.43. Para a síntese utilizou-se como reagentes o cloreto de
ferro(III) hexahidratado, acetato de sódio, polietilenoglicol (PEG) e etilenoglicol (EG) como solvente-agente redutor. Em um procedimento clássico, a mistura contendo os reagentes é agitada em temperatura ambiente por 30 min e após este tempo é mantida em autoclave a 200 °C, por períodos de 8 a 72 h. Neste trabalho foram obtidas partículas esféricas de magnetita com 200 nm de diâmetro e magnetização de saturação igual a 81,9 emu g-1.
O EG é um dos solventes orgânicos mais utilizados na síntese solvotérmica por apresentar elevada constante dielétrica, sendo capaz de dissolver diferentes compostos inorgânicos, elevado ponto de ebulição, auxiliando assim na obtenção de óxidos em fases cristalinas puras e a propriedade de se oxidar a temperaturas elevadas. Para o controle morfológico das partículas os agentes mais utilizados são o acetato de sódio, que atua na estabilização eletrostática das partículas, e o PEG, que estabiliza as partículas por efeito estérico43.
A síntese solvotérmica representa uma metodologia versátil que permite modular as propriedades químicas e morfológicas das partículas considerando que a partir da alteração dos reagentes ou de parâmetros de reação, como temperatura e tempo de
