UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA
BEATRIZ DA COSTA CARVALHO
NANOESTRUTURAS CAROÇO-CASCA BIFUNCIONAIS HIERARQUICAMENTE ORGANIZADAS COM PROPRIEDADES MAGNÉTICAS E LUMINESCENTES
CAMPINAS 2016
BEATRIZ DA COSTA CARVALHO
NANOESTRUTURAS CAROÇO-CASCA BIFUNCIONAIS HIERARQUICAMENTE ORGANIZADAS COM PROPRIEDADES MAGNÉTICAS E LUMINESCENTES
Tese de Doutorado apresentada ao Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Ciências
Orientador: Prof. Dr. Italo Odone Mazali
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA BEATRIZ DA COSTA CARVALHO, E ORIENTADA PELO PROF. DR. ITALO ODONE MAZALI
CAMPINAS 2016
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Italo Odone Mazali (Orientador)
Profa. Dra. Paula Silvia Haddad Ferreira (ICAQF-UNIFESP) Profa. Dra. Danielle Cangussu de Castro Gomes (IQ-UFG) Profa. Dra. Camilla Abbenhausen (IQ-UNICAMP)
Prof. Dr. Wdeson Pereira Barros (IQ-UNICAMP)
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do(a) aluno(a).
Este exemplar corresponde à redação final da Tese de Doutorado defendida pela aluna BEATRIZ DA COSTA CARVALHO, aprovada pela Comissão Julgadora em 15 de setembro de 2016.
DEDICATÓRIA
Dedico esta tese aos meus pais Isabel e Francisco, e às minhas irmãs Lívia e Clarissa.
AGRADECIMENTOS
A Deus, por me manter firme nessa caminhada, renovando minha fé a cada dia; Aos meus pais, Isabel e Francisco, pelo apoio pleno, por tudo que fizeram e fazem por mim em todos os sentidos. Eu amo vocês demais. E sem o suporte de vocês, eu jamais teria conseguido. Muito obrigada!
Às minhas irmãs queridas Lívia Maria e Clarissa, por todo carinho e ajuda nos momentos difíceis, por se alegrarem junto comigo com minhas vitórias e por cuidarem tão bem dos nossos pais na minha ausência;
Ao professor Italo Odone Mazali, por todos os ensinamentos e exemplos que me mostrou durante esses anos, por ter me acolhido com todo carinho de um pai, não apenas científico. Muito obrigada pela oportunidade!
Ao professor Fernando Aparecido Sigoli, por toda ajuda e pelas sugestões tão valiosas para o desenvolvimento da tese;
Aos demais membros da minha família, pelo grande apoio durante minha jornada, em especial a minha tia Silvéria (Tibeia), Odair e minha prima Luciane pelos momentos de descontração que me proporcionaram nos meus primeiros anos aqui. As minhas queridas avós Francisca (in memorian) e Ester (in memorian) que foram exemplo de mulheres guerreiras e me mostraram a base e o valor da família. A todos os meus sobrinhos e minha afilhada Isabel Luísa, por trazerem alegria e me fazerem acreditar em um mundo melhor. Ao Janmiles, que durante esses anos me ajudou de todas as formas possíveis. Muito obrigada!
Aos amigos, irmãos, verdadeiros anjos: Laiane e Benedito, por todo suporte e apoio que me deram. Vocês são pessoas iluminadas e se não fosse por vocês não estaria defendendo esta tese. Acredito que muito obrigada é muito pouco pra dizer. Desejo que Deus lhes dê em dobro tudo que me proporcionaram;
Aos amigos Juliana, Igor, Régis, Rafael, Maria, Cleuton, Iran, Manu, Matheus e Vinícius, que fizeram meus dias mais alegres em Campinas, e por tantas discussões importantes e engrandecedoras sobre pesquisa;
A todos os amigos do Laboratório de Materiais Funcionais: Isaías, Murilo, Naiara, Adriana, Anerise, Cris, Laura, Larissa, Gabi, Gilmar, Josi, Filipe, Lanousse, Emille, Diogo, Carla, Lidiane, Carol, Alice, William e Charlão. E aqueles que por lá passaram e muito contribuíram para o desenvolvimento desta tese: Fabiana, Rafael Gaspar, Mathias e João Paulo. Muito obrigada pela excelente convivência, pelas valiosas discussões, pelas amizades conquistadas e (parafraseando o Isaías) por compartilharem muito mais que reagentes e vidrarias.
As professoras Camilla Abbehausen e Maria do Carmo Gonçalves, pelas excelentes contribuições no exame de qualificação de área;
Aos professores: Paula Haddad, Danielle Cangusso, Camilla Abbehausen e Wdeson Barros, pelas excelentes contribuições durante a defesa de doutorado, para a melhoria e engrandecimento da tese;
À professora Fanny Bèron, do IFGW-UNICAMP, pela disponibilidade na realização das medidas de VSM e ao professor Laudemir Carlos Varanda, do IQ-USP São Carlos, pela disponibilidade e atenção na realização das medidas de hipertermia magnética;
À Dra. Luciana M. Hollanda, pelos ensaios de citotoxicidade;
Aos funcionários do IQ-UNICAMP, Milene, Claudinha, Sônia, Renata e Daniel, pela atenção durante a realização das medidas;
À CAPES pela bolsa concedida, e à FAEPEX pelos auxílios para participação em congressos e pelo auxílio ponte.
RESUMO
O desenvolvimento de sistemas multifuncionais com propriedades magnéticas e luminescentes para aplicações na área biomédica foi o foco desta tese. Dentro deste contexto, submicroesferas de magnetita com controle de tamanho (100 a 750 nm) foram obtidas pelo método solvotérmico, modificando a temperatura de dissolução dos precursores da reação. Esse parâmetro foi estudado pela primeira vez neste trabalho, no qual foi possível estabelecer uma relação entre a temperatura e o tamanho de partícula. À medida que a temperatura da dissolução dos precursores da reação aumenta, o tamanho das partículas diminui. As submicroesferas de magnetita são formadas por grãos de tamanho nanométrico, que segue a mesma tendência de quanto menor o tamanho da partícula, menor o tamanho do grão. Todas as partículas apresentaram comportamento superparamagnético à temperatura ambiente e foi possível aplicá-las como catalisador da reação foto-Fenton de degradação da Rodamina B. Observou-se maior influência na atividade catalítica quando houve redução significativa no tamanho dos nanogrãos que formam a partícula. Foi obtido um sistema do tipo caroço-casca, cujo caroço é composto de magnetita e a casca de sílica porosa funcionalizada. As partículas de magnetita foram recobertas com sílica pelo método de Stöber, apresentando casca de sílica de aproximadamente 50 nm de espessura. O ataque da sílica com NaOH resultou na obtenção de sílica porosa e a sua funcionalização com grupos Si–H permitiu a ligação dos complexos de európio por meio da reação de hidrossililação. Os materiais magnéticos e luminescentes apresentaram o padrão de emissão do íon Eu3+ e as medidas de tempo de vida de emissão em função da temperatura para os dois sistemas mostraram que o material é promissor como sensor de temperatura na faixa de 20 a 70 °C. Tanto as partículas magnéticas quanto o material magnético e luminescente podem aquecer água por hipertermia magnética até a temperatura de tratamento de tumores em menos de 10 min. O carregamento do fármaco 5-fluorouracila nas partículas e a liberação deste em sistema aquoso revelaram o potencial de aplicação do sistema magnético e luminescente na liberação controlada de fármacos. Portanto, um sistema multifuncional foi obtido e suas propriedades como também suas potencialidades de aplicação foram exploradas, permitindo combinar as características individuais dos materiais em um único sistema.
ABSTRACT
The development of multifunctional systems with magnetic and luminescent properties for applications in the biomedical field was the focus of this thesis. In this sense, magnetite submicrospheres with controlled size (100-750 nm) were obtained by the solvothermal method by changing the temperature of precursor dissolution on the reaction. This parameter was first studied in this work, which established a relationship between temperature and particle size. As the precursor dissolution temperature increases, the particle size decreases. The magnetite submicrospheres are formed by nanometer-sized grains, which follows the same trend as the smaller the particle size, the smaller the grain size. All particles showed superparamagnetic behavior at room temperature and it was possible to apply them as catalysts for photo-Fenton reaction degradation of Rhodamine B. The greatest influence on the catalytic activity is observed when there is a significant reduction in the size of the nanograins that form the particle. A core-shell system was obtained, whose core consists of magnetite and the shell of functionalized porous silica. The magnetite particles were coated with silica by the Stöber method, with silica shell thickness of 50 nm. The NaOH etching on the silica shell resulted in a porous structure and its functionalization with Si–H groups has enabled the binding of the europium complexes through hydrosilylation reaction. The magnetic and luminescent materials showed the typical emission of the Eu3+ ion and the lifetime measurements in different temperatures for both systems showed that the material is promising for use as a temperature sensor in the range 20 to 70 °C. Both the magnetic particles and the magnetic and luminescent material can heat water by magnetic hyperthermia to the tumor treatment temperature in less than 10 min. The loading of 5-fluorouracil drug on the particles and its release in the aqueous system revealed the potential application of the magnetic and luminescent system in controlled drug release. Therefore, a multi-functional system was obtained, and its properties as well as its application possibilities have been explored, allowing combining the individual characteristics of the materials in a single system.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Ilustração de um sistema caroço-casca multifuncional com caroço magnético. Adaptada da referência [19]. ... 24 Figura 2 – Estrutura cristalina dos óxidos de ferro: a) hematita (α-Fe2O3), b)
magnetita (Fe3O4), c) maghemita (γ-Fe2O3). Adaptada da referência [22]. ... 25
Figura 3 – a) Curva de histerese de materiais ferrimagnéticos, paramagnéticos e superparamagnéticos (adaptada da referência [31]); b) comportamento magnético dos multidomínios de materiais ferrimagnéticos em função do campo aplicado (adaptada da referência [27]). ... 28 Figura 4 – Comportamento magnético das partículas ferrimagnéticas e superparamagnéticas na ausência, presença e remoção do campo magnético, mostrando a estrutura de domínios (adaptada da referência [34]). ... 31 Figura 5 – Mecanismos de geração de calor em partículas ferrimagnéticas e superparamagnéticas (adaptada da referência [31]). ... 33 Figura 6 – Partículas de magnetita de diferentes tamanhos obtidas pelo método de decomposição térmica. Da esquerda para direita: 5 nm, 9 nm, 12 nm e 16 nm. Adaptada da referência [17]. ... 35 Figura 7 – Estruturas de partículas: a) microesfera densa, b) microesfera nanoestruturada, c) nanogrão que forma a microesfera nanoestruturada. ... 36 Figura 8 – a) Estrutura dos alcoxissilanos precursores de sílica: TEOS e alcoxissilano com grupo funcional; b) Representação da sílica com grupos funcionais Si–OH de superfície; c) Exemplos de alcoxissilano com grupos funcionais, 1: trietoxivinilssilano, 2: trietoxissilano, 3: mercaptopropiltrietoxissilano, 4: aminopropiltrimetoxissilano. ... 41 Figura 9 – Esquema do método de ataque à superfície protegida do sistema caroço-casca com sílica densa protegida com PVP e ataque com NaOH para a formação dos poros... 42 Figura 10 – Diagrama de Jablosnki representando os processos observados no efeito antena. As setas sólidas pretas representam absorção de um fóton e as pontilhadas representam as emissões radiativas. As setas onduladas representam as emissões não radiativas de energia. Adaptada da referência [85]. ... 44 Figura 11 – Estrutura do fármaco 5-FU. ... 48
Figura 12 – Esquema reacional de obtenção da magnetita pelo método solvotérmico. ... 53 Figura 13 – Montagem da reação de degradação da Rodamina B (1: lâmpada; 2: filtro região <399 nm; 3: reator encamisado com circulação de água e distância de 20 cm da lâmpada; 4: agitador magnético). ... 54 Figura 14 – Estratégias de obtenção dos sistemas magnéticos e luminescentes. Estratégia 1: magnetita recoberta com sílica densa funcionalizada com vinil e ligação do complexo de Eu3+ através do PDMS. Estratégia 2: magnetita recoberta com sílica porosa funcionalizada com Si–H e ligação do complexo de Eu3+
pelo ligante adppo. ... 55 Figura 15 – Esquema reacional da obtenção do complexo de Eu3+ com adppo e PDMS. ... 56 Figura 16 – Reação de substituição do complexo de Eu3+
com adppo. ... 57 Figura 17 – Esquema da reação de obtenção do sistema magnetita-sílica funcionalizada com vinil. ... 58 Figura 18 – Formação da plataforma magnetita-sílica porosa funcionalizada (MSi: magnetita-sílica densa; MSiP: magnetita-sílica porosa). ... 59 Figura 19 – Reação de ligação do complexo de Eu3+ com adppo e PDMS na plataforma magnetita-sílica densa funcionalizada com vinil. ... 59 Figura 20 – Reação de ligação dos complexos de Eu3+ na plataforma magnetita-sílica porosa funcionalizada. ... 60 Figura 21 – Imagens de SEM das partículas de magnetita com diferentes temperaturas de dissolução dos precursores da reação. Menor magnificação (coluna esquerda) e maior magnificação (coluna centro). Histogramas de distribuição de tamanho das partículas (coluna direita). ... 67 Figura 22 – Imagens SEM das partículas M25 (A) e M140 (B). ... 70 Figura 23 – Imagens SEM das partículas M60 (A) evidenciando a estrutura oca das partículas no destaque (B) ... 71 Figura 24 – Imagens TEM da amostra M25 em diferentes magnificações, evidenciando a estrutura de agregados dos nanogrãos que formam as partículas .. 72 Figura 25 – Imagens HRTEM da amostra M25 evidenciando os planos da magnetita. ... 73
Figura 26 – Relação entre temperatura de dissolução dos precursores e tamanho das partículas com tamanho de cristalito, coercividade e magnetização remanente. ... 74 Figura 27 – Difratogramas de raios X das amostras M25 a M140 e padrão da magnetita (Fe3O4) e maghemita (γ-Fe2O3). ... 76
Figura 28 – Detalhe do pico de difração (511) das amostras M25, M100, M120, M140. ... 77 Figura 29 – Espectros FTIR das amostras de magnetita (M25 a M140) sintetizadas em diferentes temperaturas de dissolução dos precursores da reação. ... 78 Figura 30 – Curva de histerese das amostras de magnetita (M25 a M140) sintetizadas em diferentes temperaturas de dissolução dos precursores da reação. 79 Figura 31 – Relação entre temperatura de dissolução dos precursores e tamanho das partículas com a magnetização de saturação. ... 80 Figura 32 – Comportamento magnético da magnetita (a) M25 e (b) M140. ... 81 Figura 33 – Porcentagens de células viáveis (a) NIH/3T3, (b) A549, (c) NG97, (d) PANC1, com ensaios colorimétricos MTT. A lise celular foi estimada pela incorporação de MTT. Todos os experimentos foram realizados em triplicata... 82 Figura 34 – Estrutura da molécula de Rodamina B ... 83 Figura 35 – Espectros UV-Vis de degradação de RhB (1,0x10-5
mol L-1) usando (a) M25, (b) M80 e (c) M140 como catalisador. ... 84 Figura 36 – Degradação de RhB em diferentes condições: (a) RhB/H2O2/Vis; (b)
RhB/M140/Vis; (c) RhB/M25/H2O2/Vis; (d) RhB/M80/H2O2/Vis; (e) RhB/M140/H2O2 (f)
RhB/M140/H2O2/Vis. ... 86
Figura 37 – (a) Espectros vibracionais na região do infravermelho – modo ATR do complexo [Eu(tta)3(H2O)2], complexo substituído com 1 adppo [Eu(tta)3(adppo)(H2O)]
e complexo substituído por 2 adppo [Eu(tta)3(adppo)2], (b) Detalhe do espectro
FTIR-ATR dos complexos na região de 400 a 1800 cm-1. ... 89 Figura 38 – Espectros de a) excitação e b) emissão do complexo [Eu(tta)3(H2O)2] .. 90
Figura 39 – Espectros de a) excitação e b) emissão do complexo [Eu(tta)3(adppo)(H2O)] ... 90
Figura 40 – Espectros de a) excitação e b) emissão do complexo [Eu(tta)3(adppo)2]
... 90 Figura 41 – Curva de decaimento radiativo do nível emissor 5D0 do íon Eu3+ dos
Figura 42 – Imagens SEM das (a) partículas de magnetita M140 e das (b) partículas
caroço-casca: magnetita-sílica funcionalizada com vinil (MSiV). ... 93
Figura 43 – Espectro de absorção UV-Vis da água de bromo e da solução após dispersão com as partículas M140 e MSiV. ... 94
Figura 44 – Espectro EDS da amostra MSV após mistura com água de Br2. ... 95
Figura 45 – Espectros de a) excitação e b) emissão do sistema magnético e luminescente ligado através do PDMS (MSiVEu). ... 96
Figura 46 – Curvas de decaimento de emissão do nível emissor 5D0 da amostra MSiVEu ... 97
Figura 47 – Espectros de a) excitação e b) emissão do sistema magnético e luminescente ligado através do PDMS (MSiVEu) após duas semanas. A banda marcada com asterisco (*) é referente ao sinal do harmônico. ... 98
Figura 48 – FTIR-ATR das partículas MSi (magnetita-sílica) e MSiPSiH (magnetita sílica porosa funcionalizada com Si–H). ... 100
Figura 49 – Difratogramas de raios X de magnetita pura M140 e magnetita recoberta com sílica MSi. ... 101
Figura 50 – Imagens SEM das partículas MSi em diferentes magnificações. ... 102
Figura 51 – Imagens TEM da amostra MSi em diferentes magnificações. ... 103
Figura 52 – Imagens TEM das partículas magnetita-sílica porosa (MSiP). ... 104
Figura 53 – Curvas de adsorção/dessorção de N2 da amostra MSiP. ... 105
Figura 54 – Curvas de histerese das amostras de M140 e MSi. ... 106
Figura 55 – Esquema simplificado da ligação dos complexos de Eu3+ na plataforma de magnetita-sílica porosa funcionalizada com Si–H. ... 107
Figura 56 – Espectros de (a) excitação e (b) emissão da amostra MSiPEu1. O asterisco (*) destaca o sinal do harmônico, correspondente à metade do comprimento de onda de emissão. ... 109
Figura 57 – Espectros de (a) excitação e (b) emissão da amostra MSiPEu2. O asterisco (*) destaca o sinal do harmônico, correspondente à metade do comprimento de onda de emissão. ... 110
Figura 58 – Espectros de emissão do etanol durante o ensaio de lixiviação do complexo de Eu3+ nas partículas de magnetita-sílica porosa funcionalizada. ... 111
Figura 59 – Espectro de emissão da amostra MSiPEu1 após ensaio de lixiviação 112 Figura 60 – Curvas de decaimento de emissão do nível emissor 5 D0 das amostras a) MSiPEu1 e b) MSiPEu2. ... 113
Figura 61 – Tempo de vida em função da temperatura das amostras MSiPEu1 e MSiPEu2. ... 114 Figura 62 – Ensaio de hipertermia mostrando a variação de temperatura em função do tempo para as amostras M25, M80 e M140 dispersas em água (10 mg mL-1). . 117 Figura 63 – Ensaio de hipertermia mostrando a variação de temperatura em função do tempo para a amostra MSiPEu1 dispersa em água (30 mg mL-1). ... 119 Figura 64 – Curva de liberação à temperatura ambiente da 5-FU em PBS e pH 7,4 ... 122
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Características dos reagentes utilizados neste trabalho. ... 52 Tabela 2 – Parâmetros das partículas de Fe3O4 sintetizadas utilizando-se diferentes
temperaturas de dissolução dos precursores da reação. ... 68 Tabela 3 – Valores de tempo de vida de emissão dos complexos sintetizados ... 91 Tabela 4 – Valores de tempo de vida de emissão das amostras em função da temperatura. ... 115 Tabela 5 – Valores de SAR e HR calculados para amostras de magnetita e do sistema magnético e luminescente. ... 120
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
5-FU 5-fluorouracila
A549 Células de câncer pulmonar acac Acetilacetonato
adppo Alildifenilfosfinóxido ANOVA Análise de variância
ATR Refletância total atenuada (Attenuated Total Reflectance) BET Brunauer–Emmett–Teller
CTAB Brometo de cetiltrimetilamônio (cetyl trimethylammonium bromide) cup N-nitrosofenilhidroxilamina
DEG Dietilenoglicol
DL Porcentagem de carregamento
EDS Espectroscopia por energia dispersiva de raios X EDTA Ácido etilenodiamino tetra-acético
EE Eficiência de encapsulação EG Etilenoglicol
ET Transferência de energia
FTIR Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier
H Campo magnético
HR Taxa de aquecimento (Heating rate)
HRTEM Microscopia eletrônica de transmissão de alta ressolução IC Conversão interna
ILCT Transferência de carga intraligante ISC Cruzamento intersistema
JCPDS Joint Committe on Powder Diffaction Standards
LMCT Transferência de carga ligante-metal LME Laboratório de Microscopia Eletrônica LMF Laboratório de Materiais Funcionais LNLS Laboratório Nacional da Luz Síncrontron LNNano Laboratório Nacional de Nanotecnologia MRI Imageamento por ressonância magnética
MTT 3-brometo de (4,5-dimetil-2-tiazolil)-2,5-difenil-tetrazólio NaAc Acetato de sódio
NG97 Células de câncer cerebral humano - glioma NIH/3T3 Células saudáveis embrionárias de camundongos PANC1 Células de câncer pancreático humano
PBS Tampão fosfato salino PDMS Polidimetilssiloxano PEG Polietilenoglicol PVP Polivinilpirrolidona
RhB Rodamina B
RPMI Roswell Park Memorial Institute Medium
SAR Taxa de absorção específica (Specific Absorption Rate) SEM Microscopia eletrônica de varredura
SFB Soro fetal bovino SPM Superparamagnético T.A. Temperatura ambiente
TEM Microscopia eletrônica de transmissão TEOS Tetraetilortossilicato
TES Trietoxissilano TEVS Trietoxivinilssilano
TGA Análise termogravimétrica TMS Trimetoxissilano
tta 2-tenoiltrifluoroacetona
UNICAMP Universidade Estadual de Campinas USP Universidade de São Paulo
UV Ultravioleta
UV-Vis Ultravioleta visível
VSM Magnetometria de amostra vibrante XRD Difração de raios X
LISTA DE SÍMBOLOS
a Parâmetro de rede
ANR Taxa de decaimento não radiativo
ARAD Taxa de decaimento radiativo
AT Taxa de decaimento total
Hc Coercividade
KB Constante de Boltzmann
Keff Constante de anisotropia
m Massa total (amostra + água) m/m Razão em massa
m5FUlivre Massa de fármaco 5-FU que permaneceu em solução após o ensaio
de carregamento
m5FUtotal Massa total de fármaco 5-FU utilizada para realizar o carregamento
MM Massa molecular
Mr Magnetização remanente
Ms Magnetização de saturação
ms Massa da amostra
MsFe Magnetização de saturação do caroço magnético
Msx Magnetização de saturação do sistema caroço-casca
mtotalNP Massa total de nanopartículas utilizada no carregamento
P Probabilidade de significância
V Volume da partícula v/v Razão em volume
ΔT/Δt Coeficiente angular da reta ajustada na linearização das curvas de temperatura em função tempo
τ Tempo de vida de emissão
Deformação angular de uma ligação química
Comprimento de onda
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 22
1.1 Sistemas multifuncionais com nanoestruturas magnéticas ... 23
1.1.1 Estrutura dos óxidos de ferro ... 25
1.1.2 Propriedades magnéticas de nanoestruturas de óxido de ferro ... 27
1.1.3 Hipertermia magnética ... 31
1.2 Síntese de nanopartículas e nanoestruturas de magnetita ... 33
1.2.1 Método de coprecipitação ... 34
1.2.2 Método de decomposição térmica ... 35
1.2.3 Método solvotérmico ... 36
1.3 Sistemas caroço-casca com sílica ... 39
1.4 Sistemas magnéticos com complexos luminescentes ... 43
1.5 Aplicações biomédicas da magnetita e do sistema magnético e luminescente ... 46
1.6 Magnetita como catalisador da reação Fenton e foto-Fenton ... 49
2 OBJETIVOS ... 51 2.1 Objetivo geral ... 51 2.2 Objetivos específicos... 51 3 PARTE EXPERIMENTAL ... 52 3.1 Reagentes utilizados ... 52 3.2 Procedimento experimental ... 53
3.2.1 Síntese de magnetita com diferentes tamanhos pelo método solvotérmico ... 53
3.2.2 Degradação da Rodamina B pela reação foto-Fenton ... 54
3.2.3 Obtenção do sistema magnético e luminescente ... 55
3.2.3.1 Obtenção do complexo de Eu3+ com PDMS ligado ... 56
3.2.3.3 Obtenção da plataforma de magnetita sílica densa funcionalizada com
vinil ... 57
3.2.3.4 Obtenção da plataforma de magnetita sílica porosa funcionalizada com Si–H ... 58
3.2.3.5 Ligação entre a plataforma magnetita sílica densa funcionalizada com vinil e o complexo de Eu3+ com PDMS ... 59
3.2.3.6 Obtenção do sistema magnético e luminescente: ligação do complexo de európio(III) na plataforma magnetita-sílica porosa funcionalizada com Si–H ... 60
3.2.4 Carregamento e liberação do fármaco 5-fluorouracila ... 60
3.3 Caracterização ... 61
3.3.1 Espectroscopia vibracional na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) ... 61
3.3.2 Difratometria de raios X (XRD) ... 61
3.3.3 Análise termogravimétrica (TGA) ... 62
3.3.4 Magnetometria de amostra vibrante (VSM) ... 62
3.3.5 Espectrofotometria de absorção molecular UV-Vis ... 62
3.3.6 Microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) ... 63
3.3.7 Análise de área superficial – isoterma de adsorção e dessorção de N2 ... 63
3.3.8. Espectroscopia de luminescência e medidas de tempo de vida de emissão ... 63
3.3.9 Citotoxicidade das partículas de magnetita ... 64
3.3.10 Medidas de hipertermia magnética ... 65
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 66
4.1 Síntese da magnetita com controle do tamanho de partícula ... 66
4.2 Degradação da Rodamina B pela reação foto-Fenton ... 83
4.3 Plataformas de magnetita com sílica porosa funcionalizada para obtenção do sistema magnético e luminescente ... 87
4.3.1 Caracterização dos complexos de európio(III) modificados ... 88
4.3.2 Plataforma magnetita e sílica funcionalizada com vinil para ligação do complexo de Eu3+ nas partículas usando PDMS ... 93
4.3.3 Plataforma magnetita-sílica porosa funcionalizada com Si–H para ligação do complexo de Eu3+ diretamente nas partículas ... 100
4.4 Sistema magnético e luminescente: sensor de temperatura ... 107
4.4.1 Obtenção do sistema bifuncional magnético e luminescente e estudo do seu potencial como sensor de temperatura ... 107
4.5 Aplicações biomédicas do sistema magnético e luminescente: hipertermia e liberação controlada de fármaco ... 116
4.5.1 Desempenho das partículas de magnetita e do sistema multifuncional para hipertermia magnética ... 116
4.5.2 Carregamento e liberação do fármaco 5-fluorouracila ... 121
5 CONCLUSÃO E PROPOSTAS FUTURAS ... 124
1 INTRODUÇÃO
A obtenção de materiais multifuncionais vem sendo bastante explorada na literatura [1,2]. A possibilidade de unir diferentes propriedades em um único sistema torna esses materiais promissores para diversas aplicações. Materiais multifuncionais com propriedades magnéticas e luminescentes destacam-se por apresentar potencial de aplicação na área biomédica, tais como, hipertermia, imageamento por ressonância magnética (MRI), agente de contraste, carregamento de fármacos, entre outros [3-5]. Neste sentido, o uso de materiais nanoestruturados torna-se importante devido às suas propriedades diferenciadas em relação aos materiais na forma estendida (bulk).
Sistemas nanoestruturados são tipicamente formados por materiais na escala nanométrica (10-9 m), cujo tamanho total pode ser da ordem de poucos micrômetros, mas as partículas que formam o sólido são da ordem de nanômetros e apresentam propriedades diferentes do material bulk [6,7]. Nesses materiais os efeitos de superfície passam a predominar e afetam suas propriedades químicas e físicas. Por isso, é importante controlar a morfologia e o tamanho das partículas, uma vez que ambos os fatores são responsáveis pelas suas propriedades térmicas, elétricas e magnéticas [8].
Dentre as diversas formas de se obter um sistema multifuncional é importante ressaltar o arranjo do tipo caroço-casca, pois nesse tipo de estrutura, é possível organizar hierarquicamente o sistema, conforme a propriedade desejada para o conjunto. Baseado nisso, é importante destacar que algumas propriedades devem ser conservadas quando esses materiais encontram-se juntos num mesmo sistema, por isso é necessário que se produza um sistema hierárquico, para que não se percam as características dos materiais individuais e para que sejam evidenciadas outras propriedades provenientes da combinação destes. A proposta do presente trabalho surgiu desse contexto de buscar a multifuncionalidade em um único material.
Nosso grupo de pesquisa vem desenvolvendo materiais tipo caroço-casca com o caroço magnético e a casca de sílica porosa, como uma plataforma de trabalho para ancoragem de outras moléculas. Neste sentido, a tese tem como foco a obtenção de um sistema magnético e luminescente contendo um caroço de
magnetita e casca de sílica porosa funcionalizada com Si–H na qual seja possível ligar covalentemente um complexo luminescente de európio(III), por meio das duplas ligações presentes em um dos ligantes do complexo e este complexo pode ser usando como sensor de temperatura. A casca porosa serve como suporte para carregar fármacos para posterior liberação controlada destes. O caroço magnético apresenta a propriedade de hipertermia, que pode ser utilizada para aquecimento no tratamento de tumores e no controle da liberação do fármaco. O caroço magnético também pode ser aplicado em catálise, na degradação de corantes orgânicos [9].
1.1 Sistemas multifuncionais com nanoestruturas magnéticas
Nanoestruturas magnéticas têm atraído atenção dos pesquisadores nas diferentes áreas de aplicação, principalmente devido às mudanças de suas propriedades na escala nanométrica. Nanopartículas magnéticas da ordem de poucos nanômetros apresentam comportamento superparamagnético à temperatura ambiente. Tal comportamento é caracterizado por ausência de magnetização residual ao remover o campo magnético do material [10], o que favorece a sua aplicação em áreas como biomedicina, catálise, sensor, fluidos magnéticos, entre outras [11-13]. Nanopartículas de magnetita (Fe3O4), maghemita (γ-Fe2O3) e as
ferritas (MFe2O4, onde M = Fe, Mn, Zn ou Co) são considerados bons candidatos
para as aplicações supracitadas [14,15].
No trabalho desenvolvido por Deng et al. [14] foram obtidas ferritas de Fe (magnetita), Mn, Zn e Co. As partículas possuem a mesma morfologia e tamanho, mas com magnetização diferente, indicando que a composição tem influência nas propriedades magnéticas. Em outra abordagem, desenvolvida por Wang et al. [16], partículas de mesma composição (magnetita), mas com morfologias diferentes foram obtidas, empregando a mesma rota de síntese, apenas mudando o ligante do precursor e a composição do solvente. As partículas apresentaram diferentes valores de magnetização com a mudança de morfologia.
O efeito do tamanho é considerado o mais importante em relação às propriedades magnéticas dos óxidos de ferro. A diminuição do tamanho da partícula provoca mudanças nas propriedades magnéticas do material, principalmente quanto ao seu caráter superparamagnético e na magnetização de saturação. Park et al. [17]
produziram partículas de magnetita monodispersas e com tamanhos diferentes. As partículas têm respostas magnéticas diferentes à medida que seu tamanho diminui, sendo que quanto menor o tamanho, maior tendência ao comportamento superparamagnético à temperatura ambiente.
Além das propriedades magnéticas importantes para as aplicações biomédicas, a magnetita apresenta a vantagem de ser sintetizada por diferentes metodologias, as quais permitem modular o tamanho, morfologia e tipo de estrutura de acordo com a propriedade desejada [18].
Em um sistema multifuncional, a magnetita pode ser usada como caroço num arranjo do tipo caroço-casca, no qual suas propriedades devem ser preservadas. Um esquema geral de um sistema multifuncional com magnetita é mostrado na Figura 1.
Figura 1 – Ilustração de um sistema caroço-casca multifuncional com caroço magnético. Adaptada da referência [19].
Na ilustração da Figura 1, o caroço magnético (1) pode ser, por exemplo, a magnetita que deve ser recoberta com uma casca biocompatível e hidrofílica (2) como a sílica. O controle da espessura da casca é importante para que as propriedades magnéticas do caroço não sejam perdidas. Nessa plataforma caroço-casca são ancoradas ou adsorvidas moléculas de interesse biológico, como moléculas luminescentes (3) que atuam como marcadores ou sensores, e ligantes alvo (4) que reconhecem certos tipos de célula e podem ser ligados à plataforma para garantir uma entrega seletiva de fármaco (5). Além disso, é possível ligar elementos de resposta (6) que podem reagir a algum estímulo externo, como por
exemplo, nanopartículas de ouro que podem aquecer quando estimuladas com radiação no infravermelho [19].
1.1.1 Estrutura dos óxidos de ferro
Os três principais óxidos de ferro são magnetita (Fe3O4), maghemita
(γ-Fe2O3) e hematita (α-Fe2O3). Dentre eles, a hematita é o mais estável sendo,
portanto, a última fase formada nos processos de transformação de outros óxidos de ferro. A hematita possui arranjo hexagonal (Figura 2a) e é a forma mais comum de óxido de ferro encontrada na natureza [20,21]. Em termos de aplicação, a hematita é amplamente utilizada em catalisadores, pigmentos e sensores de gases, devido ao seu baixo custo e elevada resistência à corrosão [22].
Figura 2 – Estrutura cristalina dos óxidos de ferro: a) hematita (α-Fe2O3), b)
magnetita (Fe3O4), c) maghemita (γ-Fe2O3). Adaptada da referência [22].
A magnetita difere dos demais óxidos de ferro por conter em sua estrutura íons de Fe divalentes e trivalentes, apresentando estrutura tipo espinélio inverso, característico de ferritas. Esta estrutura tem como fórmula mínima AB2O4, na qual A:
Fe2+ e B: Fe3+, possuindo arranjo cúbico com célula unitária composta por 32 ânions O2-, 16 cátions Fe3+ e 8 Fe2+ (Figura 2b), na qual metade dos íons Fe3+ ocupam os sítios tetraédricos e a outra metade dos íons Fe3+ e todos os íons Fe2+ ocupam os sítios octaédricos [18]. Devido às suas propriedades, as aplicações da magnetita são vastas, como em gravação magnética, catálise, eletroquímica e hipertermia [23].
(a) Hematita Hexagonal, romboédrica (b) Magnetita Cúbica (c) Maghemita Cúbica Fe3+ Fe2+ O 2-Fe3+ O 2-Fe3+ O
2-A maghemita tem estrutura cúbica de espinélio inverso, assim como a magnetita, porém possui apenas íons Fe3+ em sua estrutura (Figura 2c). Cada célula unitária contém 32 íons O2-, 21⅓ de íons Fe3+ e 2⅓ de vacâncias, sendo que 8 cátions Fe3+ ocupam os sítios tetraédricos e os demais estão randomicamente distribuídos pelos sítios octaédricos; as vacâncias estão situadas nos sítios octaédricos [18,22]. Além da mesma estrutura, magnetita e maghemita apresentam parâmetros de rede quase idênticos (Fe3O4: a=0,8396 e γ-Fe2O3: a=0,83474) [18], o
que dificulta a distinção das fases por técnicas convencionais, como a difração de raios X; somente em maiores ângulos é observada a não coincidência de alguns picos de difração. As aplicações da maghemita são semelhantes à magnetita, como por exemplo, na área biomédica e catálise [24].
Nas transformações dos óxidos de ferro, a magnetita pode ser oxidada à maghemita que, por sua vez, sofre conversão para hematita (Equação 1) [20]. A oxidação da magnetita à maghemita ocorre na presença de oxigênio, e nesse processo os íons Fe2+oct são oxidados a Fe3+oct, resultando em vacâncias nos sítios
octaédricos. A oxidação de Fe3O4 a γ-Fe2O3 ocorre por meio de difusão de íons Fe2+
a partir do núcleo para a superfície da partícula [18], sendo então oxidados formando uma camada de maghemita.
Equação 1 Fe3O4 → γ-Fe2O3 → α-Fe2O3
Um sólido seco de magnetita pode facilmente ser oxidado à maghemita pelo ar [18], entretanto, quando se trata de partículas de tamanho nanométrico esse efeito é mais pronunciando. Estudos realizados por Murad e Schwertmann [25] mostraram que nanopartículas de magnetita são oxidadas à maghemita mesmo à temperatura ambiente ao longo dos anos. Em razão da elevada área superficial, esses materiais apresentam alta porcentagem de átomos na superfície, o que favorece a reação de oxidação. Na literatura é consenso afirmar que nanoestruturas de magnetita, quando armazenadas em atmosfera contendo oxigênio, terão, inevitavelmente, uma fina camada de maghemita na superfície [18,21,25,26]. A maghemita é convertida a hematita em temperatura acima de 400 °C, sofrendo transformação da estrutura cúbica para um arranjo hexagonal, no qual as características magnéticas mudam em relação aos demais óxidos de ferro [18].
1.1.2 Propriedades magnéticas de nanoestruturas de óxido de ferro
As propriedades magnéticas das partículas de óxido de ferro dependem da sua composição, estrutura e tamanho. A hematita é um sólido antiferromagnético, que tem como característica a ausência de momento magnético resultante. Devido ao acoplamento antiparalelo dos íons na estrutura da hematita, os momentos magnéticos dos íons vizinhos se cancelam e, como consequência, o momento magnético resultante é igual a zero. Portanto, dentre os óxidos de ferro apresentados, a α-Fe2O3 é a única que não é magnética à temperatura
ambiente [18,20].
A magnetita e maghemita, quando sólidos estendidos, são ferrimagnéticas à temperatura ambiente. Um material ferrimagnético tem seu magnetismo resultante devido ao cancelamento incompleto dos momentos magnéticos de spin dos seus íons [27]. Na magnetita, por exemplo, os íons Fe3+ nos sítios octaédricos e os íons Fe3+ nos sítios tetraédricos possuem seus momentos magnéticos alinhados em direções opostas. Como a estrutura possui o mesmo número de íons Fe3+ em cada sítio, eles se cancelam e o momento magnético resultante é apenas dos íons Fe2+. Esse comportamento é típico das ferritas cúbicas MFe2O4, onde M representa um
metal bivalente [27,28].
Para o entendimento das propriedades magnéticas dos materiais é preciso definir alguns conceitos importantes no estudo de magnetismo. Quando um campo magnético é aplicado a um material com uma susceptibilidade magnética, este responde produzindo um campo denominado magnetização. A magnetização é definida como a medida do momento magnético por volume de material [29].
Ao se aplicar um campo magnético, a magnetização do material aumenta até um limite máximo denominado magnetização de saturação (Ms). A coercividade
(Hc) ou campo coercitivo é o campo externo de sinal contrário necessário para
reduzir a magnetização do material a zero, definindo a energia mínima requerida para reverter a magnetização do material. A magnetização remanente (Mr) é definida como o magnetismo residual no material após a remoção de um campo magnético aplicado [10,27,29,30]. Esses três parâmetros definem a curva de histerese (Figura 3a) de um material.
Figura 3 – a) Curva de histerese de materiais ferrimagnéticos, paramagnéticos e superparamagnéticos (adaptada da referência [31]); b) comportamento magnético dos multidomínios de materiais ferrimagnéticos em função do campo aplicado (adaptada da referência [27]).
A curva de histerese (curva de magnetização versus campo aplicado) facilita a compreensão dos conceitos anteriormente explicados. Em sólidos ferrimagnéticos, ao reduzir o campo aplicado após atingir a saturação, a curva não é revertida no mesmo trajeto inicial, originando o efeito de histerese. Quando o campo magnético é completamente removido nesses materiais observa-se a Mr. Para
conseguir reduzir a magnetização a zero é necessário aplicar um campo em direção oposta, Hc. Assim, ao continuar aplicando o campo na direção inversa, tem-se a
a)
saturação no sentido oposto e a segunda inversão no sentido do campo fecha o ciclo de histerese [27], como representado na Figura 3a.
Quando um material ferrimagnético não está sob a influência de um campo (H), os momentos magnéticos estão orientados aleatoriamente de modo que não existe momento magnético total resultante. A Figura 3b mostra o comportamento dos domínios variam em função do campo. Conforme o campo externo é aplicado, os domínios (regiões onde os momentos magnéticos estão alinhados na mesma direção) tendem a se orientar na direção do campo aplicado até atingir a saturação, na qual os domínios magnéticos do material se encontram completamente alinhados ao campo.
É importante considerar as propriedades magnéticas dos materiais em função da temperatura. Para todos os materiais magnéticos, com exceção do antiferromagnético, a magnetização de saturação é máxima a 0 K, situação na qual praticamente não há efeito das vibrações térmicas. À medida que a temperatura aumenta, as vibrações térmicas aumentam e as direções dos momentos magnéticos tornam-se aleatórias; a magnetização de saturação diminui para valores muito baixos até atingir a temperatura de Curie, quando a magnetização é igual a zero. Acima dessa temperatura, o material é considerado paramagnético. Para a magnetita, considerando o sólido estendido, a temperatura de Curie é igual a 585 °C [27,32].
O comportamento da magnetita bulk é típico da curva apresentada para materiais ferrimagnéticos. No entanto, quando esses materiais estão na escala nanométrica, o comportamento magnético muda. As nanopartículas não apresentam magnetização remanente e nem coercividade, configurando comportamento superparamagnético (SPM).
A curva de histerese típica de materiais superparamagnéticos não apresenta histerese (Figura 3a), ou seja, após a remoção do campo não se observa magnetização residual e também não é necessário aplicar um campo inverso para desmagnetizá-lo. Essas características são importantes para aplicações, como em biomedicina e catálise, pois como as partículas são atraídas por um ímã, é possível removê-las facilmente do meio ou mesmo direcionar e concentrá-las em determinado local desejado. Ao remover esse campo, os momentos magnéticos retornam naturalmente ao estado aleatório e as partículas são facilmente redispersas no meio, evitando a formação de aglomerados [10].
A origem do termo superparamagnético surge do comportamento semelhante aos materiais paramagnéticos. Nestes materiais, ao se aplicar um campo externo, os momentos magnéticos se alinham individualmente, não havendo interação mútua entre os momentos vizinhos e, ao remover o campo, os momentos magnéticos naturalmente voltam ao estado aleatório. Por apresentarem baixa susceptibilidade magnética, os sólidos paramagnéticos apresentam baixa magnetização e não têm magnetização remanente e coercividade, como mostrado na curva de histerese da Figura 3a.
Assim, como as nanopartículas apresentam um perfil semelhante, porém com elevada magnetização de saturação, são chamadas de superparamagnéticas [10,27]. É importante considerar que a resposta superparamangética depende do tempo da medida experimental. Existe um tempo de relaxação característico para cada material, que é o tempo necessário para reverter o momento magnético. Quando, a uma dada temperatura, o tempo de relaxação é menor que o tempo de medida, diz-se que o material se encontra no estado superparamagnético [33].
Em nanoestruturas, dois principais efeitos responsáveis pelas suas propriedades magnéticas devem ser considerados: efeitos de tamanho finito e efeitos de superfície. O efeito de tamanho está relacionado com o monodomínio e o limite superparamagnético. Quando partículas têm tamanho muito reduzido (poucos nanômetros), existe um volume abaixo do qual a energia para criar a parede de domínio é maior do que a energia magnetostática (energia desmagnetizante), favorecendo o surgimento de monodomínios [10,29].
Como representado na Figura 4, mediante um campo externo aplicado e considerando a mesma escala de tempo, os materiais com multidomínios (ferrimagnéticos) se alinham ao campo e após sua remoção permanecem magnetizados, enquanto que nos sistemas com monodomínios (superparamagnéticos) a desmagnetização é espontânea após remoção do campo.
O tamanho crítico no qual o material deixa de ser ferrimagnético e passa a ter comportamento superparamagnético é denominado limite superparamagnético. A energia anisotrópica KeffV (onde Keff é a constante de anisotropia e V é o volume da partícula) é responsável por manter o momento magnético ao longo de determinada direção. Com a diminuição do tamanho das partículas, a energia térmica kBT (onde kB é constante de Boltzmann e T é temperatura) ultrapassa a barreira de energia
anisotrópica e a magnetização é facilmente invertida, e o material exibe características superparamagnéticas [10].
Figura 4 – Comportamento magnético das partículas ferrimagnéticas e superparamagnéticas na ausência, presença e remoção do campo magnético, mostrando a estrutura de domínios (adaptada da referência [34]).
Os efeitos de superfície surgem da diminuição do tamanho das partículas, aumentando a porcentagem de átomos na superfície. Em decorrência disto, os spins de superfície têm maior influência na magnetização do material. Por isso, a magnetização de saturação em nanopartículas é menor do que no bulk. Partículas muito pequenas levam à diminuição da Ms. Esses efeitos estão atribuídos à
desordem de spin e anisotropia de superfície. Além disso, algumas interações como a interação magnética dipolar entre as partículas e interações de troca podem afetar o comportamento superparamagnético das partículas [10,26].
1.1.3 Hipertermia magnética
Uma das aplicações biomédicas mais importantes de nanopartículas magnéticas é o tratamento de tumores por hipertermia. Na área médica, a hipertermia é definida como a elevação da temperatura acima do nível fisiológico com o objetivo de alcançar um ganho terapêutico [35].
No tratamento por hipertermia magnética, um campo externo é aplicado com magnitude suficiente para induzir a magnetização das nanopartículas e então
esse campo é alternado. A aplicação do campo alternado provoca mudança no sentido da magnetização, o que leva à transformação de energia magnética em energia térmica [31].
Existem, atualmente, duas principais abordagens de utilização da hipertermia. A primeira é a hipertermia média, na qual a temperatura da região a ser tratada é elevada para a faixa de 40-44 °C, a fim de deixar as células tumorais mais sensíveis à ação de outros tratamentos como a radio- e quimioterapia, dado que as células tumorais são mais sensíveis à temperatura do que as células sadias. A segunda abordagem é chamada de ablação térmica ou termoablação, na qual a temperatura aplicada está acima de 46 °C, levando à eliminação do tumor por meio de necrose, coagulação ou carbonização [30].
De modo geral, o efeito do aquecimento sobre as células é provocar a desnaturação das proteínas. Embora alguns estudos apontem que as células de câncer não são inerentemente mais susceptíveis a danos que as células sadias, observou-se que após o tratamento por hipertermia, uma classe de proteínas denominadas “proteínas de choque térmico” (proteínas que possuem sua expressão aumentada quando sofrem choque térmico) teve sua expressão aumentada na superfície de células tumorais, mas não foram observadas na superfície de células sadias [30,36].
O aquecimento gerado pelas partículas ferrimagnéticas na escala macroscópica (sólido estendido) é causado pelo mecanismo conhecido como perda por histerese. Neste processo, o aquecimento é proporcional à área da curva de histerese e à frequência aplicada, sendo assim, quanto maior a magnetização remanente e coercividade, mais eficiente será o aquecimento [31].
No entanto, quando as partículas estão na escala nanométrica, são ditas superparamagnéticas e não possuem histerese, sendo assim, outros mecanismos são responsáveis pelo aquecimento. Os dois mecanismos de geração de calor em partículas SPM são: relaxação de Néel e relaxação de Brown. A relaxação de Néel é associada a processos de perda de calor durante a reorientação da magnetização, sendo dependente exclusivamente da energia da barreira anisotrópica que é necessária para reverter a magnetização durante a aplicação do campo alternado. Essa energia depende do volume da partícula e da anisotropia intrínseca, que varia com o tipo de material, superfície e morfologia. O mecanismo de relaxação de Brown é atribuído à rotação física no meio em que a nanopartícula se encontra, provocada
pela inversão da magnetização do material. A capacidade de rotação das partículas depende tanto da viscosidade do meio quanto do raio hidrodinâmico da partícula [10,30,31]. Os mecanismos de geração de calor tanto para partículas ferrimagnéticas (perda por histerese) quanto para superparamagnéticas (Néel e Brown) são mostrados esquematicamente na Figura 5.
Figura 5 – Mecanismos de geração de calor em partículas ferrimagnéticas e superparamagnéticas (adaptada da referência [31]).
Teoricamente, para cada material, existe um diâmetro crítico no qual os dois mecanismos contribuem de maneira igual (com o mesmo tempo de relaxação) para a geração de calor. Acima desse diâmetro predominam os mecanismos de relaxação de Brown, enquanto que abaixo desse tamanho predominam os mecanismos de Néel [30].
1.2 Síntese de nanopartículas e nanoestruturas de magnetita
Existem diversas estratégias de síntese de partículas de Fe3O4, incluindo
métodos como coprecipitação [37], método solvotérmico [38], hidrotérmico [39], sonoquímico [40], decomposição térmica [5], microemulsão [41] e sol-gel [42]. O grande desafio na síntese de nanopartículas de óxido de ferro é encontrar condições experimentais ideais para produzir partículas monodispersas. Além disso, para ser viável, é necessário que a síntese seja reprodutível e exija o menor número de etapas de purificação possíveis [43].
A seguir, serão apresentados os principais métodos de obtenção de partículas de magnetita, com foco nas condições experimentais de síntese e na obtenção de partículas de diferentes tamanhos e morfologias.
1.2.1 Método de coprecipitação
O método de coprecipitação é o mais utilizado para síntese de partículas de magnetita, por ser um método simples, rápido e que utiliza condições brandas de temperatura. A reação utiliza solução aquosa de sais de Fe2+ e Fe3+ em meio básico, podendo ser à temperatura ambiente ou com temperatura elevada (geralmente varia de 25 a 100 °C) [44]. A reação química da formação de magnetita por coprecipitação é mostrada na Equação 2.
Equação 2 Fe2+(aq) + 2Fe3+(aq) + 8OH-(aq) → Fe3O4(s) + 4H2O(l)
A completa precipitação de Fe3O4 deve ocorrer em pH entre 8 e 14, com
uma relação estequiométrica de 1:2 (Fe2+:Fe3+) em atmosfera não oxidante. O tamanho e morfologia das partículas obtidas depende do tipo de precursor utilizado (cloreto, nitrato ou sulfato), da concentração dos íons Fe3+ e Fe2+, tempo de reação, temperatura e do pH. No entanto, as partículas obtidas por coprecipitação tendem a ser polidispersas e muitas vezes com difícil controle de morfologia [10,43]. Modificações na síntese de coprecipitação podem ser realizadas a fim de melhorar o controle de morfologia, dispersão de tamanho e agregação, como o uso de estabilizantes, controle do pH e uso de agentes redutores. Em relação ao tamanho, as nanopartículas obtidas pelo método de coprecipitação podem variar de 2 a 50 nm, dependendo das condições de síntese utilizadas [10].
Alguns trabalhos na literatura relatam síntese de nanopartículas obtidas pelo método de coprecipitação usando estabilizantes, como ácido cítrico [45], ácido oleico e citrato de sódio [44], em que as partículas apresentam boa distribuição de tamanho e morfologia em comparação ao mesmo procedimento sem uso de estabilizantes.
1.2.2 Método de decomposição térmica
No que diz respeito à produção de partículas em larga escala, com excelente dispersão de tamanho e controle de morfologia, um dos métodos mais empregados atualmente é o método da decomposição térmica [5].
O método consiste na decomposição térmica de compostos de coordenação contendo Fe3+, em solvente de alto ponto de ebulição, utilizando estabilizantes. Os precursores de ferro incluem [Fe(acac)3] (acac: acetiltacetonato),
[Fe(cup)3] (cup: N-nitrosofenilhidroxilamina), entre outros e os solventes mais
utilizados são éter difenílico, éter dibenzílico e 1-octadeceno. Os estabilizantes são geralmente ácidos graxos, ácido oleico e hexadecilamina [10,46].
As nanopartículas obtidas por esse método são geralmente esféricas e estão na faixa de 5 a 20 nm e apresentam-se monodispersas, que é a principal vantagem do método de decomposição térmica. A Figura 6, extraída do trabalho de Park et al. [17], apresenta imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) de nanopartículas de magnetita de diferentes tamanhos, obtidas pelo método de decomposição térmica.
Figura 6 – Partículas de magnetita de diferentes tamanhos obtidas pelo método de decomposição térmica. Da esquerda para direita: 5 nm, 9 nm, 12 nm e 16 nm. Adaptada da referência [17].
O grande inconveniente da síntese de partículas magnéticas pelo método da decomposição térmica é a temperatura de síntese, que é geralmente acima de 260 °C, devido aos elevados pontos de ebulição dos solventes orgânicos empregados. Além disso, é necessário trabalhar em atmosfera inerte e o procedimento experimental não se torna tão simples, devido ao grande aparato experimental necessário [10].
1.2.3 Método solvotérmico
Dentre os métodos de obtenção de nanoestruturas de magnetita, o método solvotérmico se destaca por ser simples e produzir partículas monodispersas com tamanho e forma homogêneos. Uma desvantagem desse tipo de síntese é o tamanho de partícula produzido, que geralmente está na faixa de 200 a 800 nm, não sendo consideradas nanopartículas, e sim partículas submicrométricas. Uma característica típica dessa reação é a obtenção de partículas nanoestruturadas nas quais o cristalito é nanométrico, como mostrado na Figura 7. Devido a essa estrutura de grãos nanométricos, as submicroesferas apresentam propriedades magnéticas de nanopartícula [47].
Figura 7 – Estruturas de partículas: a) microesfera densa, b) microesfera nanoestruturada, c) nanogrão que forma a microesfera nanoestruturada.
O procedimento do método solvotérmico consiste em dissolver um sal do metal a ser utilizado como precursor em um solvente orgânico (ou aquoso, chamado então de hidrotérmico) e submeter esta solução, dentro de uma autoclave, a um tratamento térmico na temperatura acima à de ebulição do solvente. Assim, são estabelecidas condições de temperatura e pressão que favorecem as reações de nucleação e crescimento [48,49].
Dois parâmetros governam as reações solvotérmicas, os químicos e os termodinâmicos [50]. Os parâmetros químicos estão relacionados com a natureza do solvente e o tipo de precursor utilizado para a formação do óxido. No caso da síntese de magnetita, os solventes mais utilizados são os polióis etilenoglicol, dietilenoglicol, e como precursor, utiliza-se um sal de ferro(III), podendo ser cloreto,
nitrato, acetilacetonato, entre outros. Os parâmetros termodinâmicos são temperatura e pressão bem definidos, para que ocorra a redução do Fe3+ a Fe2+ e se forme a fase Fe3O4. Tanto os parâmetros químicos quanto os termodinâmicos têm
influência no mecanismo da reação e, portanto, devem ser bem controlados. No caso da síntese de magnetita, normalmente se utiliza temperaturas ao redor de 200 °C, que também garante alta pressão dentro da autoclave [50,51].
No processo reacional de obtenção de magnetita por síntese solvotérmica, o solvente (como por exemplo, o etilenoglicol) é também o agente redutor, promovendo a redução de Fe3+ a Fe2+ para formação da magnetita. Utiliza-se também acetato de sódio (NaAc) ou amônia, que têm o papel de precipitar o complexo de acetato de ferro(III) [(Fe2O(CH3COO)(OH)3·3H2O)] [47] para que na
autoclave forme a magnetita, além de um estabilizante para evitar a coalescência das partículas. Os estabilizantes mais utilizados são polivinilpirrolidona (PVP), polietilenoglicol (PEG) e citrato de sódio [52].
Quanto ao mecanismo da síntese solvotérmica de Fe3O4, é possível
encontrar mais de um caminho para a formação dessas partículas, devido aos diferentes tipos de parâmetros químicos que podem ser alterados. Na síntese utilizando cloreto de ferro(III) como precursor e EG como solvente e NaAc, sob condições de alta temperatura e pressão, promovido pela autoclave, ocorrem os processos complexação, precipitação e transformação de fase. Inicialmente ocorre a complexação e posterior precipitação do complexo [Fe2O(CH3COO)(OH)3·3H2O] e
redução parcial do Fe3+ a Fe2+, seguido de nucleação e crescimento das partículas, podendo ocorrer a agregação, recristalização e decomposição térmica das partículas. Na ausência de acetato de sódio não há formação de magnetita e nem de outro óxido de ferro, fato que mostra o seu importante papel na obtenção das partículas de magnetita pelo método solvotérmico [47,53,54].
Na formação das nanoestruturas, os primeiros cristais de magnetita nucleiam em uma solução supersaturada e depois os nanocristais recém-formados se agregam em esferas, estimulados pela minimização da energia de superfície total. Durante o processo de agregação, os nanocristais vizinhos se alinham de forma ordenada [52,54].
Tendo em vista a grande influência dos parâmetros da síntese solvotérmica na morfologia e tamanho das partículas de magnetita, na literatura é relatada a variação de diferentes parâmetros na síntese solvotérmica, como tempo e
temperatura de reação durante o processo de autoclave, concentração do precursor de Fe3+, influência do solvente e estabilizante.
Fan et al. [47] estudaram o efeito da variação da concentração do precursor Fe3+ e observaram que o aumento da sua concentração leva ao aumento no diâmetro das partículas. Os autores observaram ainda que o tempo de reação para formação da fase magnetita pura é de 8 h, visto que em tempo menor há formação de mistura de fase entre magnetita e goethita (α-FeOOH).
Zhu e Diao [52] investigaram a influência de diferentes parâmetros da reação, como a concentração do precursor e agente precipitante, tempo de reação e temperatura de autoclave sobre a morfologia e tamanho das partículas. Os autores observaram que o aumento na temperatura da autoclave conduz a menor tamanho de partícula. Quando a concentração do agente precipitante NaAc é reduzida, nanoesferas com tamanho menores são obtidas, bem como a baixa concentração do precursor de Fe3+ leva a partículas de tamanho menor. Os autores observaram ainda que o tempo de reação na autoclave afeta diretamente as propriedades magnéticas dos produtos, quanto maior o tempo de reação, maior a magnetização de saturação. Quanto à temperatura de reação durante a autoclave, Zhang et al. [55] observaram que 200 °C é a temperatura mínima ideal para formação de magnetita. Abaixo desse valor, não se forma Fe3O4, e sim um sólido amarelo de composição
não estabelecida e com comportamento paramagnético.
Zhuang et al. [56] realizaram a síntese de partículas de magnetita pelo método solvotérmico usando etilenoglicol e dietilenoglicol como solventes. Os autores perceberam que a quantidade de DEG tem papel importante no tamanho e morfologia das partículas. Quando a porcentagem de DEG aumenta, o tamanho das partículas diminui. Os autores obtiveram partículas de até 60 nm usando 75% de DEG e 25% de EG.
Muitos trabalhos classificam as partículas de magnetita obtidas pelo método solvotérmico como partículas porosas, pois na sua construção, a agregação dos grãos pode levar a estruturas ocas. Sun et al. [53] atribuíram a formação de partículas ocas à concentração de acetato de sódio. Em baixas concentrações de NaAc, quando os nanogrãos vão sendo formados e se agregam, o transporte de massa ocorre de dentro para fora nas partículas, de forma que os nanogrãos na superfície crescem tornando-se maiores em detrimento dos nanogrãos menores na parte interna, gerando partículas ocas. Quando a concentração de NaAc aumenta,
as partículas também apresentam estrutura de grão, mas não são ocas. Xiong et al. [54] observaram efeito semelhante, mas apenas pela adição de PVP como estabilizante. Sem PVP as partículas são densas, enquanto que usando o polímero as partículas são ocas. O mecanismo explicado para os dois trabalhos indica que ocorrem processos de dissolução e recristalização semelhante ao envelhecimento de Ostwald (Ostwald ripening), no qual cristais menores se dissolvem para posterior redeposição sobre a superfície das partículas maiores.
Na síntese solvotérmica clássica, a dissolução dos precursores da reação é realizada em temperatura ambiente. No trabalho desenvolvido nesta tese [57], o efeito da temperatura de dissolução dos precursores (antes da etapa de autoclave) foi investigado, a fim de entender o seu papel nas propriedades magnéticas, estruturais e morfológicas das partículas, visto que a literatura até então não havia apresentado estudos acerca desse parâmetro.
1.3 Sistemas caroço-casca com sílica
O arranjo caroço-casca é uma organização de estrutura que merece destaque no que diz respeito a nanomateriais, pela sua capacidade de formar compostos multifuncionais, uma vez que estes podem apresentar propriedades físicas e químicas interessantes, que são oriundas tanto do caroço como da casca que o compõe. Dessa forma, há necessidade de se produzir um sistema hierárquico, para que não se percam as características dos materiais individuais, de modo que sejam evidenciadas outras propriedades provenientes da combinação destes [58,59].
Em materiais do tipo caroço-casca, geralmente o caroço (semicondutor, metal, óxidos magnéticos) apresenta uma propriedade relevante, enquanto que a casca pode servir para estabilizar o caroço, criar compatibilidade entre o caroço e o meio em que a nanopartícula será empregada como, por exemplo, em sistemas biológicos, além de apresentar funcionalidade e promover ligação de moléculas de interesse [59].
Um sistema caroço-casca contendo óxido magnético (magnetita) como caroço e sílica como casca é bastante promissor para diversas aplicações, pois é produzida uma plataforma na qual é possível ancorar moléculas e construir um
sistema multifuncional. Por exemplo, podem-se adsorver metais na superfície ou nos poros da sílica e aplicar em catálise [60], carregar fármacos e realizar sua liberação controlada [4,61], incorporar corantes para marcação celular [62], dentre outras. O caroço magnético nesses casos facilita o direcionamento, remoção e localização do material no sistema a ser aplicado.
A sílica é um material muito versátil, biocompatível e fácil de sintetizar. Quando empregada em sistemas caroço-casca com óxidos magnéticos, a sílica tem a função de proteger o caroço das condições em que o sistema será aplicado [10], como meio ácido, por exemplo, que provocaria a degradação do óxido. A principal rota de obtenção de sílica é pelo método de Stöber [63] baseada na hidrólise e condensação de alcoxissilanos, em que o tetraetoxissilano ou tetraetilortossilicato (TEOS) é o precursor mais utilizado para essa reação.
A funcionalização de sílica pode ser realizada pelo uso de trialcoxissilanos contendo um grupo funcional. De maneira geral, a funcionalização ocorre através dos grupos silanóis (Si–OH) de superfície da sílica, que podem se condensar com os grupos silanóis do precursor alcóxido contendo grupo funcional [37,64]. É muito comum na literatura o uso desses precursores alcóxidos para funcionalização de sílica com grupos amina [65] (-NH2), tiol [66] (-SH), vinil [67] (-CH=CH2), hidreto de
silício [68] (Si–H), entre outros. O arranjo geral de um alcoxissilano com grupo funcional é mostrado na Figura 8, onde é apresentada também a estrutura dos principais alcoxissilanos com grupos funcionais.
A funcionalização da sílica com Si–H, por exemplo, pode ser realizada usando-se o trietoxissilano (TES) ou trimetoxissilano (TMS), que ao condensar seus grupos silanóis, deixam disponíveis grupos Si–H de superfície [68,69]. Outro método que tem sido aplicado para obter sílica funcionalizada é o método de co-condensação, como quando o trietoxivinilssilano (TEVS) sofre hidrólise e condensação junto com o TEOS em apenas uma etapa [70,71]. Alguns fatores devem ser considerados na reação, como efeitos estéricos e indutivos que podem influenciar os processos de hidrólise e condensação, devido aos substituintes orgânicos, acarretando em mudanças na cinética da reação do alcoxissilano com grupo funcional em comparação com a cinética de hidrólise e condensação do TEOS [71]. Os grupos funcionais orgânicos presentes nos alcoxissilanos exercem influência sobre sua reatividade, no grau de reticulação da rede obtida e na tendência de agregação das partículas [72]. Quanto ao grupo funcional na superfície
