Funcionalização e modificação de superfície de nanomateriais para aplicações em biomedicina e biotecnologia - Marques, Rodrigo Fernando Costa [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023)
A presente tese de concurso de livre docência resume em 3 principais linhas as pesquisas realizadas pelo grupo do proponente. Cada capítulo apresenta uma breve introdução sobre os principais conceitos e os desafios para as pesquisas relacionadas. No final de cada capítulo as principais soluções e contribuições são apresentadas na forma de artigos científicos publicados e/ou aceitos recentemente para publicação. O Capítulo I apresenta as contribuições nos estudos de nanomateriais magnéticos. Devido as suas propriedades magnéticas, nanopartículas de óxido de ferro são poderosas plataformas para aplicações em biomedicina ou em biotecnologia. Essas aplicações, basicamente residem na capacidade de interação dos momentos magnéticos dessas nanopartículas com um campo magnético externo. Assim, o uso de estímulo externo, campo magnético, confere estratégias interessantes para as mais diferentes soluções nas quais nanopartículas magnéticas podem atuar. Por serem magnéticas, podem ser guiadas pela ação de um campo magnético. Desta propriedade advêm várias aplicações em biomedicina como em sistemas de liberação controlada de fármacos ou no desenvolvimento de kits de separação de organelas, proteínas ou marcadores biológicos de interesse em testes de diagnóstico. Além disso, quando o campo magnético externo aplicado for alternado, a interação dos momentos magnéticos das nanopartículas com o campo alternado poderá gerar calor por diferentes mecanismos. Este calor provocado pelo estímulo externo pode ser usado para aquecer alvos específicos no corpo humano, provocando o tratamento por hipertermia magnética. Este aquecimento das nanopartículas na presença de um campo magnético alternado pode também servir como estímulo externo para transformações em polímeros termosensíveis presentes na superfície das NP, conforme será abordado no capítulo 2. No capítulo 2 estão descritos os principais resultados das pesquisas desenvolvidas com materiais poliméricos. A linha de pesquisa consiste na síntese de copolímeros a partir de seus monômeros, sempre com vistas as aplicações em biomedicina. Os materiais poliméricos apresentam diversas características e propriedades que os tornam importantes para aplicações como em liberação controlada de fármaco, aonde atuam como plataforma carreadora. Esses polímeros podem liberar fármacos contidos inter-cadeias por diferentes mecanismos. Além disso, a possibilidade de construção de cadeias anfifílicas de copolímeros permite o carreamento de fármacos hidrofílicos ou hidrofóbicos. A liberação destes medicamentos pode ocorrer por hidrólise das cadeias poliméricas ou por modificações estruturais causadas por estímulos externos como aquecimento ou internos como variação de pH. Mais especificamente no caso de estímulo externo por aquecimento, a estratégia consiste em recobrir a superfície de nanopartículas magnéticas com polímeros termosensíveis contendo algum fármaco dissolvido em moléculas de água inter-cadeia. Assim, através da aplicação de um campo magnético alternado, o núcleo Funcionalização e Modificação de Superfície de Nanomateriais para aplicações em Biomedicina e Biotecnologia magnético do nanodispositivo irá aquecer e consequentemente aquecerá a camada polimérica contendo o fármaco. Esse aquecimento provoca o colapso das estruturas poliméricas através de uma transição de fase hidrofílica-hidrofóbica, promovendo a liberação controlada do medicamento em questão. Para essas aplicações, dependendo do fármaco e do meio aonde ele deverá ser entregue há diferentes polímeros com possibilidade de sintonizar o intervalo de pH ou temperatura em que as transições ocorrerão através da síntese de copolímeros adequados. No Capítulo 3 é abordado o uso de nanopartículas magnéticas como suportes para enzimas em diferentes aplicações biotecnológicas. Geralmente, as enzimas são um dos principais custos nos processos industriais biotecnológicos, além da infraestrutura demandada. Isso se deve ao fato de que essas enzimas são solúveis nos meios em que biocatalisam alguma transformação. Assim, nos processos de purificação e obtenção dos produtos desejados, geralmente essas enzimas acabam sendo perdidas. Existem várias soluções tecnológicas propostas para permitir a recuperação das enzimas e sua reutilização em novos ciclos de processo produtivo. Dentre as alternativas encontra-se a ligação dessas enzimas em suportes sólidos como esferas de argaroses que podem ser recuperadas ao final do ciclo através de processos de centrifugação. Outro método consiste em fazer ligações cruzadas entre as próprias enzimas de forma a obter um “novelo” de enzimas que pode ser recuperado por centrifugação, conhecidas pela sigla em inglês CLEA (Crosslinking Enzyme Aggregates). Uma estratégia proposta por alguns grupos de pesquisa consiste na elaboração de um CLEA magnético (MCLEA) através da obtenção de agregados de enzimas com nanopartículas através de ligações cruzadas. Esses MCLEAS podem ser recuperados do meio reacional através do uso de separação magnética, facilitando o processo de recuperação. Além disso, outra vantagem destes MCLEAs é o fato de permitirem que as enzimas mantenham suas atividades, e em algumas situações, passem a apresentar atividade ótima em pH e temperaturas diferentes daquelas das enzimas livres. Essas mudanças de parâmetros de síntese podem gerar economias para as indústrias quando os processos passam a acontecer em temperaturas e pH mais brandos.
Functionalization and surface modification of nanomaterials for applications in biomedicine and biotechnology
Keywords: Nanomateriais; Polímeros; Nanopartículas magnéticas; Biomedicina; Biotecnologia