Nanotecnologia: a ciência do invisível em ação

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1 Nanotecnologia: a ciência do invisível em ação A nanotecnologia tem revolucionando o campo científico, trazendo consigo esperanças para este setor que se caracteriza pelas inovadoras e diversificação. Mas afinal de contas o que é nanotecnologia? A Nanotecnologia é a capacidade de manipulação de átomos e moléculas individualmente com o objetivo de criar novos materiais nano-estruturados, assim como micro-objetos com aproveitamentos no mundo real. Esta tecnologia compreende a produção e aplicação em sistemas físicos, químicos e biológicos em escalas que vai de um átomo individual a uma molécula com cerca de 100 nanômetros, assim como a integração das nanoestruturas resultantes em sistemas mais complexos. Este conceito parece um tanto complicado não é? Mas vamos simplificar para melhor entendimento. Antes de qualquer coisa é necessário que conheçamos os principais objetivos da nanotecnologia que são o de criar novos materiais, desenvolver novos produtos e processos motivados pela crescente capacidade da tecnologia moderna de ver e manipular átomos e moléculas. A nanotecnologia tem caráter multidisciplinar como pode ser visto no esquema a seguir. Fonte:

2 Entendo o Nanômetro O termo NANO significa anão radical que dá origem a palavras como nanico. Por isso, nanotecnologia dizer respeito às coisas extremamente pequenas, invisíveis ao olho nu, só podendo ser observados por equipamentos muito poderosos e precisos. Um nanômetro (nm) é a bilionésima parte de um metro, ou a milionésima parte de um milímetro. Veja na figura abaixo exemplos de estruturas, objetos e organismos na escala monomérica. Fonte: Exemplo de Estrutura Nanomérica na Natureza Vários fenômenos associados à escala nanomérica na natureza fazem parte do nosso dia-a-dia, embora por muitas vezes não nos demos conta desse maravilhoso mundo. Muitos organismos como as borboletas azuis e o pavão apresenta em suas asas e penas um fenômeno chamado de Iridescência (efeito arco-íris), isso só ocorre porque existem estruturas em escala nanomérica, chamadas nanoestruturas, que ao interagir com a luz, modulam o índice de refração produzindo um interessante efeito óptico, responsável pela mudança de cor conforme a alteração do ângulo de observação ou iluminação, usados para ofuscar a visão do predador e para atrair a fêmea ao acasalamento, respectivamente.

3 Fonte: Fonte: As lagartixas, em algumas regiões conhecidas como jacaré de parede, despertam muita atenção devido ao fato de poderem caminhar em várias superfícies (alvenaria, plásticos, vidros, metais e outras), do jeito que bem lhe convier, quer seja de cabeça para cima, de cabeça para baixo ou de lado. Estes animais conseguem realizar tais feitos porque em suas patas existem nanoventosas, que proporcionam uma fortíssima adesão nas mais diferentes superfícies.

4 Fonte: Entre as plantas existe um fenômeno interessante chamado efeito lótus, que ocorre nas folhas, devido a presença de nanoestruturas responsáveis por deixar a superfície superhidrofóbica (tendência a repelir a água), isto faz com que a água não escorra, mas sim, literalmente, rola. Fonte: Campos de Aplicações da Nanotecnologia Diversas são as potencias aplicações da nanotecnologia como poder ser visto a seguir:

5 a) Indústria automobilística e aeronáutica: Materiais mais leves, pneus mais duráveis, plásticos não inflamáveis e mais baratos, dentre outras; b) Indústria eletrônica e de comunicações: Armazenamento de dados, telas planas, aumento na velocidade de processamento e outras; c) Indústria química e de materiais: Catalisadores mais eficientes, ferramentas de corte mais duras, fluidos magnéticos inteligentes; d) Indústria farmacêutica, biotecnológica e biomédica: Novos medicamentos baseados em nanoestruturas, kits de auto-diagnóstico, materiais para regeneração de ossos e tecidos, por exemplo; e) Setor de fabricação: Novos microscópios e instrumentos de medida, ferramentas para manipular a matéria a nível atômico, bioestruturas e outras mais; f) Setor energético: Novos tipos de bateria, fotossíntese artificial, economia de energia ao utilizar materiais mais leves e circuitos menores; g) Meio-ambiente: Membranas seletivas para remover contaminantes ou sal da água, novas possibilidades de reciclagem, bioindicadores e muito mais. h) Defesa: Detectores de agentes químicos e orgânicos, circuitos eletrônicos mais eficientes, sistemas de observação miniaturizados, tecidos mais leves, fuselagens invisíveis, sendo isto só o começo das aplicações. Nanobiotecnologia e o Meio Ambiente O que se tem notado é que não há dúvida de que a nanotecnologia tem oferecido perspectivas de grandes avanços que permitem melhorar a qualidade de vida e auxiliam na preservação ambiental. Entretanto, como qualquer área tecnológica que faz uso intensivo de novos materiais e substâncias químicas, traz consigo certos riscos ao ambiente e à saúde humana. As principais áreas nas quais podemos esperar grandes benefícios provenientes da nanotecnologia ao ambiente são: a) na prevenção de poluição ou dos danos indiretos ao meio ambiente nanomateriais utilizados para obter um consumo menor de energia e produção de quantidades menores de resíduos indesejáveis, além de desenvolver sistemas de iluminação de baixo consumo energético; b) no tratamento ou remediação de poluição - a volumosa área superficial das nanopartículas lhes atribuem, em muitos casos, excelentes propriedades de adsorção de metais e substâncias orgânicas, por exemplo as nanopelículas que coletam as partículas e removemde poluentes.

6 c) na detecção e monitoramento de poluição - a nanotecnologia vem possibilitando a fabricação de sensores cada vez menores, mais seletivos e mais sensíveis para a detecção e monitoramento de poluentes orgânicos e inorgânicos no meio ambiente. As mesmas propriedades que tornam as nanopartículas atraentes do ponto de vista de aproveitamento tecnológica, podem ser indesejáveis quando essas são dispersas no meio ambiente. O tamanho reduzido das nanopartículas facilita sua difusão e transporte na atmosfera, nas águas ou nos solos, dificultando assim sua remoção por técnicas usuais de filtração. Além disso, sua pequinês pode facilitar também a sua entrada e acúmulo em células vivas. De forma geral, tem-se pouco ou quase nenhum conhecimento sobre a biodisponibilidade, biodegradabilidade e toxicidade de novos nanomateriais. Fonte: A nanobiotecnologia pode criar fusão entre a matéria viva e a não viva, o que pode resultar em organismos híbridos e produtos que não são fáceis de controlar e se comportam de maneira imprevisível. A alta reatividade e mobilidade e outros atributos resultantes de seu pequeno tamanho também têm grande possibilidade de acarretar novas toxicidades. Nanobiotecnologia e seus Impactos para Humanidade A nanobiotecnologia é a junção de duas tecnologias contemporâneas, a biotecnologia e a nanotecnologia, as quais têm trazido grandes inovações e avanços no campo da ciência. A nanobiotecnologia, portanto, pode ser considerada como o estudo, processamento, fabricação e concepção de dispositivos orgânicos, de nanomateriais para atuação biológica ou biomateriais, nos quais ao menos um dos componentes funcionais possuam dimensão nanométrica. As principais áreas que abrangem a nanobiotecnologia são a nanomedicina (biologia molecular e genética), a física-médica (diagnóstico), a concepção e produção de

7 nanofármacos (fármacos encapsulados), assim como a nanocosmecêutica (cosméticos com efeitos farmacológicos consideráveis). A nanobiotecnologia nada mais é do que a aplicação da nanotecnologia nas ciências da vida. As ciências exatas como a físicas, por exemplo, têm contribuído muito neste campo, isto porque tem oferecido ferramentas para síntese e fabricação de equipamentos que mensuram as características de células e de componentes subcelulares, bem como ofertam materiais úteis em biologia celular e molecular. Fonte: Para Nelson Durán, do Laboratório de Química Biológica da Unicamp, as ciências físicas são responsáveis por oferecerem ferramentas pra síntese e fabricação de equipamentos para medir as características de células e componentes sub celulares e de materiais úteis em biologia celular e molecular, a biologia por sua vez oferece a janela nas mais sofisticadas estruturas que já existem como as relativas ao movimento: flagelos; informação: DNA; catalise: enzimas; isolantes elétricos: mielina; reconhecimento molecular; anticorpos. Portanto, cabe a nanotecnologia, prover meios para melhorar e realizar diagnósticos precoces de doenças, visando otimizar tratamentos, além de se despontar como uma tecnologia promissora e eficiente no processo de desenvolvimento de fármacos (medicamentos). Produtos Disponíveis no Mercado de Base Nanobiotecnológica Saber exatamente qual é a quantidade de produtos obtidos por nanotecnologia ou que contenham algum componente gerado por esta tecnologia comercializados atualmente ao redor do mundo é uma tarefa muito difícil. No entanto alguns esforços tem sido envidados nesse sentido como é o caso do Projeto PEN (Project on Emerging Nanotechnology) da Agência norte americana Woodrow Wilson ( o qual vem relatando desde 2005 informações sobre produtos de base nanotecnológica disponíveis no

8 mercado que são voluntariamente fornecidos pelos fabricantes. Em 2005, foi declaro a ocorrência de 54 produtos. Decorrido o período de cinco anos o número de declarações já ultrapassou Caso esta tendência se mantenha espera-se que sejam lanças cerca de pelo menos novos produtos. Um detalhe que chama a atenção nas informações fornecidas pelo projeto PEN é o grande número de produtos na categoria Saúde e Fitness, que engloba vestuário, cosméticos, filtros, cuidados pessoais, artigos esportivos e protetores solares, como pode ser visualizado no gráfico a seguir: Fonte: A indústria de cosméticos tem sido recordista de lançamento de produtos a disposição do consumidor. Os nanocosméticos atuam de forma controlada em camadas mais internas da pele, tornando-se mais eficiente que os produtos convencionais. Podemos citar os seguintes exemplos de nanocosméticos já disponíveis no mercado mundial como os agentes anti-rugas que empregam estruturas nanométricas que carregam pró-retinol A (matéria-prima para fabricação de vitamina A) e filtros solares à base de nanopartículas de óxido de zinco ou dióxido de titânio.

9 Fonte: Na área farmacêutica, o nanomedicamento à base de paclitaxel (substância de origem vegetal) vem sendo empregado, com sucesso, no tratamento de câncer de mama há mais de uma década. Fonte: Nanobiotecnologia e Medicina

10 Diversas pesquisas científicas têm descrito os inúmeros benefícios da nanotecnologia na terapêutica. A maioria dos estudos tem foco no desenvolvimento de fármacos nanotecnológicos dedicados a terapia do câncer, de doenças inflamatórias, cardiovasculares, neurológicas e na luta contra o vírus da imunodeficiência adquirida (AIDS). Atualmente, se tem conhecimento de mais de uma centena de estudos clínicos com nanomedicamentos em andamento, tendo como doença-alvo prioritária o câncer de mama, que tem utilizado as nanopartículas de albumina associado ao fármaco paclitaxel. (por foto) Terapias Nanobiotecnológicas contra o Câncer Câncer é a denominação genérica dada a qualquer tumor maligno. A palavra câncer é originada do latim cujo significado é caranguejo. Isto porque este crustáceo apresenta grande facilidade em se aderir firmemente em qualquer lugar, assim como os tumores o fazem, aderindo-se a um local do corpo humano no qual se desenvolve. O tumor é sinônimo de neoplasma ou blastoma de crescimento anormal de tecidos. Células doentes, com algum tipo de alteração genética, sofrem divisões muito mais rápidas do que as células normais induzindo a formação do tumor, podendo este ser do tipo benigno ou maligno. Quando tal crescimento do tumor é muito acelerado, desorganizado e com tendência a se espalhar para outros órgãos, na maioria das vezes é maligno. Os tipos mais comuns de câncer são os de pele, mama feminina, próstata, pulmão e estômago. Os quatro últimos costumam ser letais e são a segunda maior causa de mortes por doenças no Brasil. Dentre os mencionados, o câncer de pele é o de maior incidência em nosso país, entretanto, a exceção do câncer melanoma, é a tipo de menor letalidade. Câncer de Pele Câncer de mama

11 Câncer de Próstata Câncer de Pulmão Câncer de Estômago Na Nanobiotecnologia, especialmente no campo da Nanomedicina e dos nanomateriais tem constantemente sido aplicados, com sucesso, os sistemas de entrega e liberação controlada de medicamentos (fármacos), estes apresentam consideráveis vantagens sobre os sistemas convencionais, uma vez que permitem maior especificidade, seletividade e eficácia, além de produzir menos efeitos colaterais do que aqueles vistos nas cirurgias, quimioterapias, radioterapias e imunoterapia tais como desfiguração do paciente,,prejuízos à sua auto-estima (cirurgia), queda de cabelo, alterações gastrintestinais (náuseas, vômitos e diarréia), cansaço exagerado (quimioterapia e radioterapia) entre outros. Entre os métodos alternativos para o tratamento do câncer, se destacam a magnetohipertermia e a terapia fotodinâmica que têm desenvolvido e empregado nanomateriais promissores, oferecendo avanços importantes nesta área. Magnetohipertermia Hipertermia é um tipo de terapia empregada com o objetivo de proporcionar aumento de temperatura em uma determinada região do corpo afetada por uma neoplasia, visando causar desintegração das células tumorais. Sua norma de ação se baseia no fato de que a

12 temperatura entre 41 C e 42 C tem a propriedade de destruir diretamente as células tumorais, isto porque estas são menos resistentes a aumentos abrupto de temperatura do que as células normais que estão em seu entorno. A elevação da temperatura necessária pela hipertermia pode ser alcançado, entre outros métodos conhecidos, pelo emprego de nanopartículas magnéticas, processo este chamado de magneto-hipertermia ou magnetotermocitólise. Quando as nanopartículas magnéticas são submetidas à ação de um campo magnético externo de frequência alternada esta absorvem mais energia transformando em calor responsável pelo aquecimento, sendo, portanto, capazes de induzir aquecimento sítio-específico em uma área desejada. Fonte: Uma vez no tumor as nanopartículas magnéticas são transportadas para dentro das células neoplásicas (cancerígenas) ou estão permanecem associadas à sua membrana e o aumento da temperatura induzirá as células à destruição, enquanto a maioria do tecido normal circunvizinho permanece intacta. A magneto-hipertermia utilizando nanopartículas magnéticas tem se tornado uma ferramentas adequada para uma intervenção menos invasiva de tumores de mama, isto

13 porque o aquecimento produzindo é utilizado para eliminar o tumor sem a necessidade de procedimento cirúrgico. Uma outra aplicação das nanopartículas magnéticas é seu uso na obtenção de imagens de ressonância magnética nuclear, sendo responsáveis por potencializarem o contraste de imagem e quando associadas a anticorpos monoclonais, permiterem a detecção precoce de micrometástases, além de servirem como sistema de transporte de substâncias que serão entregues diretamente no tecido doente, passando pelo sistema vascular sem provocar embolia dos vasos, tudo isso feito com o auxílio de um campo magnético externo. Devido a estas propriedades e às suas dimensões comparáveis às dos vírus ( nm), proteínas (5-50 nm) ou até mesmo de um gene (2 nm), as mesmas oferecem muitas possibilidades atrativas em biotecnologia. Entre elas pode-se citar, quando administradas a um ser vivo, sua facilidade de movimentação no interior e através dos tumores e sua eliminação pelos rins. Fonte: Terapia Fotodinâmica Esta terapia envolve a combinação de luz visível (comprimento de onda entre 600 a 800nm), fármacos fotossensibilizantes e oxigênio molecular presente no tecido.

14 Separadamente, o fármaco e a luz por si só não acarretam danos nos tecidos. Todavia, estes dois elementos, em presença de oxigênio tecidual, originam formas reativas do oxigênio que são tóxicas para as células. Fonte: A terapia fotodinâmica tem se mostrado eficiente no tratamento dos cânceres de bexiga, pulmão, cabeça, pescoço e esôfago. Além disso, é reconhecido como a terapêutica ideal para muitos casos de câncer de pele do tipo não-melanoma. Outras indicações são doenças como a degeneração macular (síndrome oftálmica), psoríase, artrite reumatoide (doença autoimune), parasitoses cutâneas (Leishmaniose), acne severa e a periodontite. O tratamento consiste na administração de fotossensibilizante e, após um período de tempo para que ocorra o acúmulo no tecido tumoral, procede-se a irradiação com luz visível a lesão cancerosa, resultando em reações de transferência de energia o que transforma o oxigênio em uma forma tóxica para a célula. O fotossensibilizante pode ser administrado quer por via intravenosa quer por via cutânea (tópica) e a luz visível é aplicada em um comprimento de onda específico, que coincide com o comprimento de onda de sua absorção máxima. Esta técnica permite a destruição seletiva dos tumores enquanto mantém intacto o tecido adjacente normal.

15 Os inúmeros relatos clínicos têm apontado a efetiva e segura ação da terapia fotodinâmica no tratamento do câncer de pele do tipo não melanoma. Uma grande vantagem da terapia é poder ser administrada de forma tópica (creme ou pomada), o que permite a destruição do tecido canceroso e preserva o tecido periférico normal. Outra vantagem é que a aplicação tópica das formulações evita procedimentos invasivos, como a administração intravenosa dos fotossensibilizantes com risco de fotossensibilização sistêmica. Além de permitir o tratamento concomitante de várias lesões cancerosas pela aplicação do fotossensibilizante sobre o tecido alvo e posterior iluminação com luz visível. Danos em áreas como os lábios, nariz, olhos e orelhas são de difícil tratamento por serem locais sensíveis e esteticamente importantes. Os procedimentos cirúrgicos, apesar de eficientes, podem causar cicatrizes e mutilações, enquanto que, a terapia fotodinâmica possibilita a eliminação do câncer dessas áreas com excelente recuperação estética. Considerações Finais

16 A nanotecnologia é uma ciência emergente que detém potencial de promover uma revolução em quase todas as áreas do conhecimento humano. No presente momento, mesmo frente as extraordinárias descobertas, muitas de suas aplicações ainda necessitam de pesquisa e desenvolvimento para serem concretizadas. Certamente, o tempo para que se alcance os avanços tecnológico necessários não será tão longo, isto porque, diversas grupos de pesquisas em todo o mundo, inclusive no Brasil, estão trabalhando para atingir estes objetivos, para isso, já foi construída uma base conceitual fundada no conhecimento e conta ainda com infra-estrutura para o êxito dessa tecnologia.