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A nanotecnologia tem sido referida como potencialmente sendo a próxima revolução técnica que pode mudar o mundo moderno. Talvez os desenvolvimentos vistos ainda não correspondam a este acúmulo, mas a combinação de investimento de governos, universidades e indústria é significativo com o investimento do governo global excedendo US$ 9 bilhões anualmente e crescendo. Somente o governo dos Estados investiu mais de US$ 27 bilhões desde 2001 – 2019.

O mercado de nanotecnologia global foi estimado entre $ 10 – 50 bilhões anualmente, dependendo das definições e fontes. Uma grande parte do domínio diversificado da nanotecnologia é a manipulação da matéria na escala atômica. A Iniciativa Nacional de Nanotecnologia dos Estados Unidos define a nanotecnologia como a manipulação da matéria com pelo menos uma dimensão de 1 a 100 nanômetros (nm).

O escopo das tecnologias consideradas nanotecnologia expandiu-se consideravelmente até agora incluem campos como Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos, ou MEMS e microeletrônica. Mas, as nanopartículas continuam a ser um foco importante tanto da investigação como da indústria de produtos. Este artigo pretende ajudar a definir nanopartículas, seus vários usos, e as técnicas analíticas utilizadas para sua caracterização física.

O que são nanopartículas?

Várias organizações de padrões e órgãos governamentais forneceram definições acordadas de o que é uma nanopartícula incluindo: “Um termo que se refere a uma ampla gama de tecnologias para medir, manipular ou incorporar materiais e/ou características com pelo menos uma dimensão entre aproximadamente 1 e 100 nanômetros (nm). Tais aplicações exploraram as propriedades distintas do volume macroscópico de sistemas componentes em nanoescala.”

Na União Europeia, o Comité Científico da Riscos de Saúde Emergentes e Recentemente Identificados (SCENIHR) desenvolveu uma definição mais complexa ao abordar potenciais problemas de toxicologia associados a alguns nanomateriais. A Figura 1 mostra a árvore de decisão que estabelece três categorias de materiais e riscos de avaliação baseada em escala de tamanho.

Figura 1. Avaliação de risco em nanomateriais, abordagem em camadas

Além disso, vários países (Austrália, Canadá, França, Suíça, Taiwan, China, outros) têm
emitido definições específicas que diferem ligeiramente dos outros documentos aceitos.
Nos Estados Unidos, a FDA emitiu uma Orientação para o documento 12 da Indústria que aborda os nanomateriais. A FDA não estabeleceu definições regulatórias de nanotecnologia, nano material, nano escala ou outros termos relacionados. Em vez disso, descreve o pensamento atual para decidir se os produtos regulamentados pela FDA envolvem a aplicação da nanotecnologia.

Outros termos usados

Se os comprimentos mais longos para os mais curtos diferem significativamente, então os termos nanotubo, nanofibra, nanobastão ou nanoplacas às vezes são usados. O termo “materiais nanoestruturados” é usado quando regiões ou superfícies em nanoescala existem dentro de um material com dimensões externas maiores.

Métodos de análise

Parâmetros físicos importantes de nanopartículas incluem tamanho, forma, propriedades da superfície, incluindo carga, estado de dispersão e cristalinidade. Uma vasta gama de técnicas analíticas são usadas para quantificar essas propriedades.

Técnicas microscópicas: O tamanho mais direto e técnica de análise de forma é a microscopia. E uma variedade de técnicas microscópicas são utilizadas para nanopartículas, incluindo:

• Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM), Figura 2
• Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM)
• Microscopia de Tunelamento de Varredura (STM)
• Microscopia de Força Atômica (AFM)

Figura 2. SEM – Imagem de nanopartículas com escala.

Técnicas espectroscópicas: A interação entre partículas e radiação eletromagnética em função de comprimento de onda é usado para algumas classes de nanopartículas para determinar o tamanho e outras propriedades. Algumas dessas técnicas espectroscópicas incluem:

• Ressonância Magnética Nuclear (RMN)
• UV – Visível
• Infravermelho (IR)
• Fluorescência, Figura 3

Figura 3. Nanopartículas fluorescentes (quantum dots).

Técnicas de dispersão de luz: Várias técnicas de dispersão de luz podem ser usadas para medir o tamanho das partículas, incluindo:

• Espalhamento de Nêutrons de Pequeno ngulo (SANS)
• Raio-X de pequeno ângulo
• Difração de laser
• Dispersão de Luz Dinâmica (DLS).

A técnica de dispersão de luz mais comum utilizada é a dispersão dinâmica de luz (DLS). O princípio básico de DLS é baseado na assinatura de tempo do espalhamento causada pelo movimento browniano das partículas. Menor partículas se difundem mais rapidamente enquanto partículas maiores se difundem mais lentamente. A Figura 4 mostra um diagrama óptico simplificado de um sistema DLS.

Figura 4. Diagrama óptico de um sistema DLS. Fonte: Entegris.

O detector conta fótons e alimenta esses dados brutos no correlacionador. A função de correlação medida é usado para determinar o coeficiente de difusão, D, que é então usado para calcular o tamanho de partícula usando o Equação de Stokes-Einstein:

D= kT/6r ŋR

Onde:

D = Coeficiente de difusão
R = Raio da partícula
k = constante de Boltzmann
T = Temperatura Kelvin
ŋ= Viscosidade de cisalhamento do solvente

Outras técnicas de caracterização partículas comumente usadas para nanopartículas incluem:

• Área de superfície específica BET (SSA), que pode então ser usado para calcular um tamanho médio de partícula
• Espectrometria de Massa (MS) para massa de partículas
• Difração de raios X para estrutura cristalina
• Espalhamento de Luz Eletroforético (ELS) para carga de partículas.

A carga da partícula (potencial zeta) influencia a estabilidade de nanopartículas e é uma função específica da superfície química de uma dispersão. O potencial zeta é medido usando dispersão de luz eletroforética (ELS) aplicando um campo elétrico à amostra e em seguida, medindo a direção e a velocidade do movimento de partículas, Figura 5.

Figura 5. Espalhamento de Luz Eletroforética. Técnica ELS. Fonte: Entegris.

Exemplos de indústrias de nanopartículas

As nanopartículas são usadas em muitos produtos por suas propriedades únicas em relação aos materiais tradicionais. Abaixo estão vários exemplos de incorporação de nanopartículas. Em muitos casos, isso cria um produto que tem propriedades melhoradas e mais desejáveis.

• Pneus de automóveis: Para melhorar as propriedades mecânicas e o desgaste.
• Polímeros: As nanoargilas adicionadas aos polímeros melhoram a força e resistência ao impacto.
• Embalagem de alimentos: Nanoflocos de argila moderam a umidade e gás através do filme.
• Pintura e revestimentos: Propriedades antibacterianas para hospitais e instalações médicas.
• Retardadores de chamas: Usado em plásticos, substitui halogênios orgânicos inflamáveis para emissões mais baixas.
• Baterias: A alta área de superfície das nanopartículas aumenta a capacidade de armazenamento.
• Cerâmica: As nanopartículas com polímeros criam mais resiliência e podem adicionar propriedades elétricas.
• Diodo de luz branca: Revestir a lâmpada para modificar os comprimentos de onda pode criar um branco luz LED.
• Protetor solar: Optisol substitui os ingredientes tradicionais dos protetores solares, eliminando o risco à saúde.
• Remédio: Pequenos tamanhos podem circular por todo o corpo, entregando cargas úteis de medicamentos para áreas específicas, células, tumores e outros tecidos doentes. Pode ser usado para aprimorar imagens em MRI e PET. A entrega de drogas ao cérebro por inalação é uma promessa considerável para Parkinson, Alzheimer e Esclerose Múltipla.

Nanopartículas para produtos farmacêuticos

Um dos campos mais ativos e excitantes onde as nanopartículas estão sendo empregadas é a INDÚSTRIA FARMACÊUTICA. Muitos desses medicamentos são desenvolvidos para melhorar o direcionamento do princípio ativo no corpo humano.

Uma abordagem de direcionamento passivo aumenta o tempo de circulação reduzindo o tamanho e encobrindo a nanopartícula com um revestimento como polietilenoglicol (PEG). Uma abordagem de direcionamento ativo modifica a superfície da nanopartícula ao aderir a partes específicas do corpo, como tumores cancerígenos, evitando tecidos saudáveis. Ligantes específicos de células na superfície da nanopartícula podem ser adicionados para se ligar especificamente a receptores complementares, Figura 6.

Figura 6. Superfície modificada de nanopartícula para direcionamento e entrega.

Controlar o tamanho das nanopartículas usadas para entrega de drogas é fundamental, portanto, métodos analíticos adequados devem ser usados para garantir que o tamanho esteja dentro das especificações desejadas. O DLS continua sendo a técnica de dimensionamento de partículas mais comumente usada para essas aplicações.

A Figura 7 mostra os resultados de DLS e SEM para líquido à base de lipídios nanopartículas cristalinas (LCNPs). Estas são estruturas auto-montadas preparadas por dispersão de alta energia de cisalhamento de uma matriz cristalina líquida não lamelar na fase aquosa.

Figura 7. DLS e SEM. Resultados. Resultado de nanopartículas cristalinas líquidas.

Tanto o SEM quanto o DLS multimodal (canto inferior esquerdo gráfico) confirmam a existência de ambos menores (25 nm) e populações de tamanho maior (90 nm).

Caso queira entender mais sobre as nanopartículas em medicamentos, selecionamos um vídeo para você. Assista!

Conclusão

A criação, controle e uso de nanopartículas é um segmento crítico dentro do campo maior da nanotecnologia.

Pesquisas e desenvolvimentos significativos em nanopartículas para muitos usos estão se acelerando em laboratórios acadêmicos e industriais. Os produtos à base de nanopartículas estão agora no mercado em uma variedade de indústrias e nanopartículas para entrega de medicamentos que prometem melhorias significativas nos benefícios para a saúde.

Como citamos no texto, existem técnicas para medir o tamanho das nanopartículas. E, caso queira contar com um equipamento de qualidade para te auxiliar nesse aspecto, conheça o Analisador de Potencial Zeta. O aparelho faz a análise granulométrica de nanopartículas. Acesse o site e saiba mais!

Referências

1 Lee, J., Curr Nanosci, Volume 1, Number 3, 2005: pp. 263–266

2 National Nanotechnology Initiative Budget, available at www.nano.gov

3 The Maturing Nanotechnology Market: Products and Applications, NAN031G, Nov 2016, bbc Research

4 Global Nanotechnology Market- Industry Trends and Forecast to 2025, Data Bridge Market Research

5 ASTM E2456-06(2012), Standard Terminology Relating to Nanotechnology, www.astm.org

6 ISO/TS 27687:2008, Nanotechnologies — Terminology and definitions for nano-objects — Nanoparticle, nanofiber and nanoplate, www.iso.org

7 ISO/TS 80004-4:2011, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 4: Nanostructured materials

8 ISO/TS 80004-4:2011, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 5: Nano/bio interface

9 ISO/TS 80004-4:2011, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 7: Diagnostics and therapeutics for healthcare

10 National Nanotechnology Initiative Strategic Plan, February 2014; available online at http://nano.gov/sites/default/files/pub_ resource/2014_nni_strategic_plan.pdf

11 Scientific basis for the definition of the term “nanomaterial”, March 2012, DOI: 10.2772/39703, Publisher: Ed. Publications Office of the European Union, Luxembourg, Luxembourg, 46 pages (2012)

12 Guidance for Industry Considering Whether an FDA-Regulated Product Involves the Application of Nanotechnology, 2014, http:// www.fda.gov/RegulatoryInformation/Guidances/ucm257698.htm

13 Graphic source: https://en.wikipedia.org/wiki/Nanoparticles_for_ drug_delivery_to_the_brain Graphic by Andrea Trementozzi – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=30082797

14 Zeng et al., Lipid-based liquid crystalline nanoparticles as oral drug delivery vehicles for poorly water-soluble drugs: cellular interaction and in vivo absorption, International Journal of Nanomedicine 2012:7