Captação de energia solar com nanoestruturas que reproduzem o negrume de asas de borboletas

Algumas borboletas apresentam asas pretas que podem coletar energia solar com uma eficiência impressionante. A energia luminosa coletada pode ser transformada em energia térmica para o aquecimento da borboleta, podendo assim mantê-la metabolicamente ativa mesmo sob tempo frio. É o caso da Papilio helenus, apresentada na figura abaixo.

Papilio helenus

Em um trabalho apresentado em encontro recente da American Chemical Society, o pesquisador Tongxiang Fan, Ph.D. entrou no rol de cientistas que se inspiraram em exemplos da natureza para desenvolver dispositivos nanotecnológicos. Este tipo de inspiração  já rendeu frutos interessantes em diversas áreas, como este próprio blog já discutiu anteriormente. No caso das asas de borboleta, os cientistas observaram que a presença de melanina, um pigmento presente em diversos organismos - inclusive no nosso - não era a única responsável pela alta eficiência de coleta de energia solar pela asa. Um aspecto micro- e nanoestrutural das asas ajudava, e muito, nesta tarefa: a presença de escamas dotadas de canais que absorvem luz intensamente. A nanoestrutura destes canais faz com que a luz visível e outras ondas de comprimentos superiores sejam intensamente absorvidas. Além disso, nas bordas dos conjuntos de canais estão localizados refletores paralelos que ajudam a "guiar" a luz para dentro dos canais! A imagem abaixo mostra a estrutura microscópica da superfície da asa da borboleta Papilio helenus. Repare o negrume profundo de suas asas.

Crédito: American Chemical Society

Os cientistas usaram o que aprenderam com as borboletas para produzir células de captação solar, no estilo das anteriormente discutidas aqui, utilizando dióxido de titânio e platina nanoestruturados de maneira semelhante à encontrada nas asas. Resultado? A eficiência do aproveitamento da energia solar dobrou em relação ao material convencional!

Nanotecnologia para vacinas: complexos imunoestimulantes

A ativação artificial do sistema imunitário contra antígenos específicos já mereceu uma postagem neste blog. Recomendo àqueles que ainda não a acessaram que passem a vista por ela. Vale a pena.

A invenção de Jenner continua a evoluir para que ganhemos a guerra contra vírus, bactérias, cânceres, alérgenos, e muitos outros agressores da nossa saúde.

Um dos grandes desafios no caminho do desenvolvimento de vacinas eficazes e seguras é encontrar um material (um adjuvante) que gere um alerta preciso ao sistema imunitário. Este alerta, passado ao português, pode ser do tipo: "ignore, isso aí não representa ameaça nenhuma", ou "destrua já, mas use anticorpos", ou quem sabe "coloque sentinelas naquela porta de entrada, é por lá que o teu inimigo entra". É aí que mora grande parte do segredo de uma boa vacina. Outra parte do desafio é encontrar a "impressão digital" do inimigo (o antígeno), para que o sistema imunitário exerça apenas sobre o inimigo o que a mensagem de alerta recomendou.

Reunir em um único pacote a impressão digital do inimigo e a mensagem de alerta é um dos melhores artifícios para produzir uma vacina eficaz. As nanopartículas têm sido muito utilizadas para este fim. Com elas é possível colocar o alerta e a impressão digital do inimigo em um único compartimento, em um único "envelope". Além disso, pelo seu tamanho, são capazes de circular fluentemente por diversas barreiras do organismo. Elas podem chegar onde outros não chegam. Elas podem conversar com os atores certos do sistema imunitário.

Neste contexto, os complexos imunoestimulantes, ou ISCOMs, têm sido extensivamente empregados no desenvolvimento experimental de vacinas. Os ISCOMs são nanopartículas de cerca de 35 nm de diâmetro e compostas por diferentes lipídios. A composição lipídica destas nanopartículas faz com que estas assumam uma forma muito peculiar: de gaiolas esféricas nanométricas! Veja a figura abaixo.

ISCOMs: complexos imunoestimulantes. Observe a sua forma de gaiola esférica.
A barra preta tem comprimento de 100 nm. (Fonte: McBurney et al, Vaccine 26(2008):4549-4556.)

Além dessa estrutura de gaiola, o que chama a atenção é o fato de estas nanopartículas apresentarem em sua composição surfactantes de origem vegetal, da classe das saponinas, que são especialistas em ativar o sistema imunitário. Estes surfactantes, cuja mistura é denominada Quil-A, "dizem" ao sistema imunitário que a impressão digital que os acompanha é de um inimigo que deve ser combatido energicamente.

Pesquisas com vacinas contendo ISCOMs vêm sendo realizadas há muitos anos. Dentre os alvos destas vacinas estão vírus como influenza, HIV, HPV, HCV (hepatite C) e HSV (herpes, 1 e 2), além de diversos tipos de câncer. Para se ter uma ideia, uma vacina baseada em ISCOMs contra um vírus influenza, da gripe, chegou a gerar uma resposta imunitária com tempo de memória, i.e., tempo durante o qual a resposta continua a ser exercida contra o vírus após a vacinação, 10 vezes maior que o observado com vacinas convencionais (Warren et al, 2008).

A combinação de luz e pontos quânticos pode ser usada para modular neurônios

Os pontos quânticos, ou quantum dots para quem tem alergia a traduções, já foram apresentados aos leitores neste humilde blog. Eles são nanopartículas com diâmetro que varia geralmente entre 2 e 10 nm, e que possuem propriedades ópticas únicas. As aplicações destas nanopartículas são várias e tornam este campo de estudo interessante a engenheiros, farmacêuticos, biólogos, artistas e, quem diria, a neurologistas.

Recentemente, um estudo mostrou que os pontos quânticos podem ser utilizados para hiperpolarizar ou despolarizar neurônios - e potencialmente outras células - com luz. Isso mesmo: luz! Os pontos quânticos podem ser associados a canais iônicos específicos e um dipolo elétrico pode ser induzido nestas nanopartículas por irradiação com luz. O dipolo formado nos pontos quânticos faz com que determinados canais iônicos sejam ativados ou desativados. Esses canais iônicos são proteínas presentes em membranas não só de neurônios, mas de virtualmente todas as células do nosso organismo. A figura abaixo ilustra a interação do ponto quântico polarizado com um canal iônico (que transportaria sódio, neste exemplo).

Fonte: Biomedical Optics Express, Vol. 3, Issue 3, pp. 447-454 (2012) 

Qual é o efeito induzido na célula pela ativação luminosa do ponto quântico associado a um canal iônico? Depende do tipo de canal iônico atingido. Aliás, a especificidade do ponto quântico pode ser controlada pela ligação de moléculas de direcionamento à sua superfície. Anticorpos são importantes-mas-não-os-únicos exemplos deste tipo de molécula.

Esta descoberta abre inúmeras possibilidades de alteração da atividade de células biológicas diversas pela luz. Uma dessas possibilidades é a modulação da atividade neuronal, efetuada por determinados fármacos ou eletrodos atualmente, pela administração de pontos quânticos e posterior iluminação da área a ser ativada. Este procedimento seria altamente específico à área cerebral alvo. Os problemas desta nova abordagem seriam a nada desprezível toxicidade dos pontos quânticos e a iluminação de áreas de difícil acesso no organismo, como o cérebro.

Fonte: Biomedical Optics Express, Vol. 3, Issue 3, pp. 447-454 (2012)

Litografia de dois fótons: a nanorresolução é impressionante!

Quem pela primeira vez usou a palavra "litografia" foi inspirado pelas palavras gregas lithos e graphein, que em português objetivo significam, respectivamente, pedra e escrever. Eu aposto que os primevos litógrafos ficariam boquiabertos caso vissem o que nanotecnólogos fazem, nos tempos de Dilma e Neymar, com a sua clássica arte de grafar em pedra.

Na era da nanotecnologia, a pedra, que antes fora de calcário, foi substituída por bases sólidas embebidas em precursores de polímeros e fotocatalisadores. O giz de outrora foi substituído pela luz, que graças aos dispositivos de laser pode ser concentrada em altas densidades de energia luminosa. Temos assim a fotolitografia nanométrica!

As reações induzidas pela luz na mistura do precursor de polímeros e fotocatalisadores produzem efeitos 3D que estão na base desta técnica de nanoimpressão. Pequenos depósitos sólidos de polímero compõem o pixel (uma transliteração ao português da palavra inglesa pixel - picture element -).

O resultado é impressionante. A resolução é nanométrica.

Observe as imagens abaixo e seus detalhes!

De cima para baixo: um carro de corrida com 285 micrometros em sua maior dimensão; uma miniatura  da Stephansdom de Viena (um elétron humanizado teria vertigens do alto da micrométrica torre do sino!); a microponte de Londres com seus 90 micrometros e cheia de detalhes nanométricos.
(Fonte: Technische Universität Wien, TUWien, também disponível em http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=impressora-3d-nano-precisao&id=010165120313)

Nem mesmo Asimov, pelo que sugerem meus neurônios, imaginou uma nanoimpressora 3D.

Como cantava Greg Graffin, às vezes a realidade é mais bizarra que a ficção.

Confira a nanoimpressão 3D do carro de corrida em tempo real no vídeo abaixo!

A forma do carreador de fármacos afeta a sua eficácia?

Parece que sim. Mas, por muito tempo e em tempos longamente idos, as partículas que compunham certas formulações medicamentosas eram idealizadas como esféricas e pronto. Tinha-se assim um modelo simplificado destas. Um modelo que explicava toscamente o comportamento de sistemas de entrega de fármacos, no nível estatístico, com aproximações, mas não no de casos individuais.
Mas não havia outra opção. Não havia como conhecer a forma de partículas nanométricas e assim aprender a controlá-la. Com o boom das ferramentas de análise de nanoestruturas - e com o consequentemente advento da nanociência/nanotecnologia -, foi possível analisar o comportamento de partículas com base em sua forma. A estatística não perdeu sua importância, mas agora ela ajuda a refinar os dados ao invés de adequá-los a um modelo idealizado.
Nanotecnologia é isso: observar e manipular o nano para revolucionar o macro. E a forma nanoscópica é importantíssima em medicamentos.
A forma de nanoestruturas é explorada em sistemas biológicos de maneira intensa. O modo como uma proteína interage com outra em suas diversas versões, como enzima-substrato, receptor-agonista, canal-transportado, depende intimamente da forma. Se a forma nanométrica das partículas que compõem um sistema de entrega de fármacos for controlada, podem ser obtidas características vantajosas e inimagináveis em comparação às observadas com os sistemas que levam em conta apenas o tamanho das partículas. Veja a figura abaixo.

Fonte: S. Venkataraman et al. / Advanced Drug Delivery Reviews 63 (2011) 1228–1246

Esta figura lembra muito aqueles modelos chave-e-fechadura que professores usam para exemplificar como as proteínas interagem com seus ligantes em sistemas biológicos. Para acessarmos determinados cantões de um organismo, temos que ter a chave em mãos. Assim, a forma da nanopartícula pode ser importante para que esta atinja seu alvo. Uma discussão detalhada acerca deste assunto, veementemente recomendada por este blogueiro, é apresentada em "S. Venkataraman et al. Advanced Drug Delivery Reviews 63 (2011) 1228–1246".
Já foi abordada neste blog a importância da forma de um material nanoestruturado. Veja aqui.

Nanotecnologia verde: vermiculita com nanopartículas superparamagnéticas para a remoção de petróleo do meio ambiente

A vermiculita é um mineral da família das micas, composto por uma mistura de silicatos, principalmente os de ferro, de alumínio e de cálcio. Quando este mineral é expandido e hidrofobizado - quando passa por um processo que o deixa com o aspecto microscópico de uma esponja e com maior afinidade por materiais hidrofóbicos -, pode ser usado para reter petróleo. A vermiculita expandida hidrofóbica pode acumular quantidades de petróleo equivalentes a cerca de 4 vezes a sua própria massa (!).

Fonte: //tvufg.org.br/eiseliganaufg/?p=107 

Com isso, caro leitor, já seria possível especular qual seria a aplicação deste material no ramo de tecnologias verdes. A remoção de petróleo derramado no meio ambiente, por exemplo, é uma potencial aplicação da vermiculita.
Mas o que tem a ver a vermiculita com a nanotecnologia? Pois bem, pesquisadores brasileiros vêm incorporando nanotecnologia à vermiculita para aumentar o seu potencial para a remoção de petróleo de rios e mares. Particularmente, nanopartículas superparamagnéticas baseadas em óxidos de ferro e incorporadas a este mineral têm propiciado a remoção da vermiculita carregada de petróleo com o uso de ímãs!
Veja no vídeo abaixo uma demonstração em laboratório.

Descrição do vídeo: em um béquer, uma pequena quantidade de petróleo foi vertida sobre água. Logo após, vermiculita expandida hidrofóbica contendo nanopartículas superparamagnéticas é despejada sobre o petróleo. O petróleo é absorvido rapidamente pelo mineral. Na sequência, com um ímã, a vermiculita e o petróleo são quase totalmente removidos da superfície da água.

Nanotecnologia: das universidades ao mercado

Vídeo sobre alguns aspectos históricos e básicos de nanotecnologia, bem como sobre a transferência de nanotecnologia das universidades às empresas que disponibilizam produtos nanotecnológicos no mercado. Brilhantemente produzido com o auxílio de pesquisadores renomados de importantes universidades sediadas no estado de São Paulo. Entre os pesquisadores entrevistados está o Prof. Dr. Elson Longo (UFSCar), o qual já publicou mais de 600 artigos em periódicos internacionais, e o Prof. Dr. José Arana Varela, que publicou outros 500 trabalhos (!).

Brasil e China terão centro comum de pesquisas em nanotecnologia

A cooperação técnico-científica entre estes dois países do BRICS está sendo consolidada a cada dia com acordos bilaterais robustos. A bola da vez é o Centro Brasil-China de Pesquisa e Inovação em Nanotecnologia, o CBC-Nano. O coordenador brasileiro do CBC-Nano,  Fernando Galembeck, afirma que o principal interesse dos chineses é produzir com o Brasil dispositivos portáteis para o diagnóstico barato e eficaz de doenças em populações dispersas. Além disso, a obtenção de nanoprodutos a partir da biomassa proveniente de resíduos agrícolas é outra das prioridades iniciais do do CBC-Nano. Leia aqui a matéria completa do site da ANPEI (Associação Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento das Empresas Inovadoras) sobre este assunto.