AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DE HÍBRIDOS MnFe 2 O 4 /SiO 2 /QUITOSANA VISANDO SUA APLICAÇÃO COMO BIOSENSORES

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1 AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DE HÍBRIDOS Mne 2 O 4 /SiO 2 /QUITOSANA VISANDO SUA APLICAÇÃO COMO BIOSENSORES E. Leal 1* ; P.T. A. Santos 1 ; D.C. Barbosa 2 ; D.R. Cornejo 3 ; R.H.G.A. Kiminami 4 ; A. C.. M. Costa 1 1 Laboratorio de Síntese de Materiais Cerâmicos (LabSMaC) - UCG. Av. Aprígio Veloso, 882, , Bodocongó, Campina Grande-PB. * elvialeal@gmail.com 2 Instituto de Química e Biotecnologia UAL, Maceió, AL, Brasil. 3 Instituto de ísica - USP, São Paulo-SP, Brasil. 4 Departamento de Engenharia de Materiais, USCar, São Carlos SP, Brasil. RESUMO Nanopartículas magnéticas possuem potencial aplicação na biomedicina uma vez que suas características possibilitam uma grande variedade de aplicações, tais como biosensores, carreadores de fármacos, destruição de células tumorais e separação magnética de células e proteínas. Com vista nisso, propomos obter o híbrido Mne 2 O 4 /SiO 2 /quitosana, para avaliá-lo quanto a sua propriedade magnética, visando obter um híbrido biocompatível para aplicações biológicas como biosensores. As amostras foram analisadas por DRX, TIR, MEV e medidas magnéticas. Os resultados revelaram que as amostras de Mne 2 O 4 pura, silanizada e quitosanada apresentaram a formação do espinélio com tamanhos de cristalito de 77, 8 e 79 nm, respectivamente. Os espectros de TIR confirmaram a presença de bandas de absorção características do espinélio e dos grupos presentes no silanol e quitosana, confirmando a formação do híbrido. A introdução do sinalo manteve a característica ferrimagnética e levou a um pequeno aumento na magnetização de saturação, passando de 55 para 61 emu/g. Palavras-chave: Mne 2 O 4, nanopartículas magnéticas, agente silano, quitosana, biomaterial. INTRODUÇÃO Devido as suas propriedades magnéticas moles, nanopartículas de ferrita de manganês com estrutura espinélio (Mne 2 O 4 ) têm apresentado grande importância tecnológica. Eles vêm sendo amplamente utilizados para gravação magnética, micro-ondas, indutância e como agentes de contraste (1,2). Outro fator importante deste material é sua habilidade para separação magnética, a qual vem sendo bastante solicitada em aplicações sob vários aspectos da biotecnologia e engenharia biomédica, tais como separação de células, imobilização de enzimas, separação de proteínas alvos para transporte de medicamentos, etc (3,4). 3285

2 Uma vez que as nanoferritas de Mne 2 O 4 tendem a se agregar devido a forte interação dipolo-dipolo, a modificação da sua superfície com um material biocompatível e biodegradável é requerida. A modificação de nanopartículas por meio de tratamentos químicos (tais como a absorção de agentes silano de acoplamento) é um método útil para melhorar a estabilidade de dispersão das nanopartículas em vários meios líquidos, uma vez que as transforma num híbrido inorgânico/orgânico. O conceito de agentes de acoplamento silano foi reportado por Plueddemann e seus colaboradores (5). Após esta publicação marco, novas pesquisas surgiram no âmbito de modificação de superfícies de partículas visando melhorar a compatibilidade entre as superfícies partículas/polímero (no caso desse estudo, a quitosana) e as propriedades dos materiais compósitos (6,7). Os materiais híbridos vêm apresentando grandes avanços médicos inovadores uma vez que oferecem a oportunidade de combinar as propriedades desejáveis do polímero orgânico, como elasticidade e flexibilidade, com as propriedades dos sólidos inorgânicos, tais como rigidez, resistência química, estabilidade térmica e química (8). Sendo assim, o presente trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades magnéticas do híbrido Mne 2 O 4 /SiO 2 /quitosana visando uma possível aplicação como biosensores. METODOLOGIA Para a síntese da ferrita em estudo foram utilizados os seguintes reagentes: nitrato de manganês II hidratado (178,95 g/mol), nitrato de ferro III nonahidratado (44, g/mol) e ureia (6,6 g/mol). Todos os reagentes com grau de pureza de 99%. O processo de síntese da ferrita por reação de combustão envolveu uma mistura de íons metálicos, como reagentes oxidantes (nitratos), e o combustível (ureia) como agente redutor. Para a realização da reação de combustão, a proporção da mistura inicial de cada reagente foi calculada de acordo com as valências dos elementos reativos estabelecida pela estequiometria da reação de acordo com os conceitos da química dos propelentes e explosivos (9). Como produto da reação, obteve-se a ferrita Mne 2 O 4, a qual foi desaglomerada em um almofariz e peneirada em malha ABNT abertura325 mesh (45 μm). 3286

3 Em seguida, a ferrita Mne 2 O 4 foi silanizada com o agente 3- aminopropiltrietoxisilano [H 2 N(CH 2 ) 3 Si(OC 2 H 5 ) 3 ] com grau de pureza de 97%. A metodologia adotada para esse processo foi com base no método de refluxo, o qual se encontra detalhadamente descrito no trabalho de Santos et al. (1). Posteriormente, 1 g de quitosana foi dissolvida em 5 ml de ácido acético (1% v/v) para formação de uma solução. Em seguida, 5g de nanopartículas silanizadas foi adicionada à solução, a qual foi mantida sob agitação magnética por um período de 2 h a 5ºC. Após esse período, adicionou-se uma solução de hidróxido de sódio 1 mol/l por 1h para completa remoção de resíduos do ácido. Após a reação alcalina, a solução foi lavada com água destilada para eliminação do excesso do hidróxido de sódio e centrifugada para separação da amostra final, a qual foi levada para secagem em estufa numa temperatura de aproximadamente 5 C por um período de 24h. As amostras de Mne 2 O 4 pura, silanizada e quitosanada (Mn, MnR e MnRQ, respectivamente) foram caracterizadas por difração de raios X em um difratômetro da Shimadzu (modelo LAB 6) com varredura na região de 15 a 75 2Ө, radiação CuKα (λ=1,5418å). A cristalinidade foi determinada a partir da razão entre a área integrada do pico referente à fase cristalina e a área referente à fração amorfa. O tamanho médio de cristalito foi calculado a partir da linha de alargamento de raios-x (d 311 ) por meio da deconvolução da linha de difração secundária do cério policristalino (utilizado como padrão) utilizando-se a equação de Scherrer (11). Os espectros de TIR foram obtidos usando um espectrômetro modelo 4 T- IR/T-NIR da marca Perkin Elmer, entre 4 e 4 cm -1, com resolução de 4 cm -1 e 2 varreduras. A morfologia dos aglomerados de partículas das amostras foi investigada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) utilizando um microscópio modelo XL3 EG da Philips. Os ciclos de histerese magnética (M x H) foram obtidos por um magnetômetro de gradiente alternado (AGM). Por meio das curvas M x H, foi possível determinar os valores de magnetização de saturação (Ms) e de campo coercitivo (Hc) das amostras. A magnetização de saturação foi determinada fazendo um fitting dos dados do campo aplicado para a função M = Ms (1 α/h), onde M é a magnetização, Ms a magnetização de saturação, α o parâmetro do fitting, e H o campo aplicado. 3287

4 OH Intensidade (counts) Absorbância (u.a.) OH C=O OH Si-O- Si-O- CH O-C-O 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais RESULTADOS E DISCUSSÃO Na ig. 1 se encontra os difratogramas de raios X e os espectros de infravermelho das ferritas pura de Mne 2 O 4 obtida por reação de combustão (Mn), após silanização com o agente de acoplamento 3-aminopropiltrimetoxisilano Mne 2 O 4 /SiO 2 (MnR) e após funcionalizada com quitosana Mne 2 O 4 /SiO 2 /quitosana (MnRQ) : Mne 2 O 4 H: e 2 O 3 H H H H (Graus) H H MnRQ MnR Mn JCPDS : Mne 2 O 4 OH CH NH Si-OH 2 CH 2 NO 2 Si-CH 3 MnR CH V V 2 1 Mn C-O V V 2 1 OH Comprimento de onda (cm -1 ) Si-CH 3 MnRQ V 1 V 2 igura 1 Resultados de (a) DRX e (b) TIR das amostras Mn, MR e MnRQ. De acordo com os difratogramas apresentados na ig. 1a, observa-se que todas as amostras revelaram a formação do espinélio Mne 2 O 4 como fase majoritária, de acordo com a ficha padrão JCPD , e presença de hematita (H: e 2 O 3 ) como fase segregada. Os resultados revelam que a síntese por reação de combustão foi eficiente para a formação da fase desejada de Mne 2 O 4, e que o processo de silanização e funcionalização não exerceram grande influência sobre estrutura do material. Os valores de tamanho de cristalito e cristalinidade medidos para o pico principal 311 das amostras Mn, MnR e MnRQ foram de 3 nm e 77%, 31 nm e 8%, e 21 nm e 8%, respectivamente. Analisando os espectros de infravermelho presentes na ig. 1b, pode-se observar duas bandas de absorção abaixo de 1 cm -1 (v 1 e v 2 ), as quais são características do espinélio Mne 2 O 4 em estudo. Estas bandas são caracterizadas 3288

5 por vibrações de íons na rede do cristal, onde v 1 é atribuída às vibrações dos sítios tetraédricos, e v 2 às vibrações dos sítios octaédricos. Em 366 cm -1, observa-se uma banda larga proveniente das ligações do grupo O H O, que possivelmente está relacionada a presença de água adsorvida na superfície da amostra, uma vez que se fez uso de KBr para a preparação das amostras, o qual é tido como um material de alta higroscopicidade. Em torno de 15 cm -1, banda vibracional de estiramento do grupo O-H referente à água livre e/ou fisicamente adsorvida, grupos hidroxilas, resultantes da reação de combustão. Em 138 cm -1, uma banda de estiramento simétrico do grupo NO 2 proveniente possivelmente de nitratos que não reagiram durante a combustão. Em 237 cm -1, uma banda relacionada a vibração do grupo O-C-O. Observa-se também uma banda entre 345 e 32 cm -1 referente a absorções fracas atribuídas a ligações N-H de aminas primárias. Analisando o espectro da amostra MnR, entre 2914 cm -1 e 2773 cm -1, observa-se uma larga banda atribuída a vibrações de estiramento simétrico e assimétrico de grupos alifáticos v(c-h) tipo sp 3. Em 1735 cm -1, observou-se uma banda intensa referente ao estiramento do grupo C=O, que possivelmente indica a coordenação com metais. As bandas múltiplas em torno de 1124 cm -1 e 133 cm - 1 correspondem ao estiramento assimétrico do grupo Si-O-. Na faixa de 1456 cm -1 e 1364 cm -1 ocorre uma absorção que pode ser atribuída à deformação simétrica de C- H. Em 1254 cm -1 observa-se uma banda referente ao estiramento Si-CH 3 e em 1177 cm -1 uma banda atribuída ao estiramento assimétrico Si-O-Si. Estas bandas confirmam de certo modo a presença de materiais orgânicos, que no caso associamos ao agente silano. Algumas destas bandas também se encontram presentes no espectro da amostra funcionalizada com quitosana (MnRQ). Na ig. 2 se encontram as caracterizações morfológicas obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) das amostras Mn, MnR e MnRQ em estudo. A microestrutura da amostra Mn (ig. 2a) apresenta um aglomerado na forma de um bloco rígido, de tamanho médio aproximado de 3 µm, com indícios de pré-sinterização, mas constituído por partículas finas interligadas. As micrografias das amostras MnR e MnRQ (ig. 2b e 2c), no entanto, apresentam aglomerados de formatos irregulares, com tamanhos maiores e menores que 1 µm e aparentemente com superfície recoberta pela presença do agente silano e quitosana, respectivamente. 3289

6 a b c igura 2 MEV das amostras: (a) Mn, (b) MnR e (c) MnRQ. Na ig. 3 pode ser observado o comportamento da magnetização (Ms) em função do campo magnético aplicado (H) por meio do laço de histerese referente às ferritas Mn, MnR e MnRQ em estudo. As amostras apresentaram ciclos Ms x H estreitos, caracterizando materiais de característica magnética mole soft (onde se tem fácil magnetização e desmagnetização). Ambas as amostras apresentaram ciclos Ms x H típicos de materiais superparamagnéticos e de comportamento ferrimagnético (a) 1 (b) Ms (emu/g) Mn MnR MnRQ H (KOe) Ms (emu/g) Mn MnR MnRQ -,4 -,2,,2,4 H (KOe) igura 3 Curvas de histerese magnética referente às amostras Mn, MnR e MnRQ, onde (b) é uma ampliação das curvas presentes em (a). A silanização da ferrita Mne 2 O 4 com a adição do agente silano levou a um aumento 11% na magnetização de saturação, passando de 55 emu/g da amostra Mn para 61 emu/g da amostra MnR. Já a amostra funcionalizada com quitosana (MnRQ) apresentou uma redução de 36% na sua magnetização de saturação, com valor de 35 emu/g. Os valores de coercividade para as amostras Mn, MnR e MnRQ foram valores bem próximos de,8;,1 e,8 koe, respectivamente. Demirelli et al. (12) avaliaram as propriedades magnéticas do nanocompósito Coe 2 O 4 /APTES-Pd (APTES 3-aminopropiltrietoxilano) para potencial aplicação como catalisador, e observaram por meio da histerese M x H, que tanto a 329

7 magnetização de saturação como a coercividade do nanocompósito foram inferiores ao da ferrita Coe 2 O 4 pura, cujos valores foram de 48 emu/g e 8 emu/g; e de,2 koe e 5,4 koe, respectivamente. Comportamento inverso foi observado para as amostras em estudo, uma vez que o processo de silanização da ferrita Mne 2 O 4 favoreceu a um significativo aumento na sua magnetização de saturação. CONCLUSÕES Pode-se dizer que a ferrita Mne 2 O 4 teve uma eficiente silanização com a impregnação do agente silano na superfície das suas partículas, tornado possível a obtenção de um híbrido Mne 2 O 4 /SiO 2 com propriedades magnéticas fortes e bom comportamento ferrimagnético, que o torna viável para uma possível aplicação no campo biomédico, como, por exemplo, na produção de biosensores. Enquanto que a amostra funcionalizada com quitosana teve seu comportamento ferrimagnético reduzido. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, INAMI-CNPq e CAPES pelo apoio financeiro. REERÊNCIAS BIBLIOGRÁICAS (1) BATOO, K.M. Study of dielectric and impedance properties of Mn ferrites. Physica B, v. 46, p , 211. (2) LI, Z.; WANG, S.X.; SUN, Q.; ZHAO, H.L.; LEI, H.; LAN, M.B.; CHENG, Z.X.; WANG, X.L.; DOU, S.X.; LU, G.Q. Ultrasmall manganese ferrite nanoparticles as positive contrast agent for magnetic resonance imaging. Advanced Healthcare Materials, v. 2, p , 213. (3) SAHOO, B.; DEVI, K.S.P.; DUTTA, S.; MAITI, T.K.; PRAMANIK, P.; DHARA, D. Biocompatible mesoporous silica-coated superparamagnetic manganese ferrite nanoparticles for targeted drug delivery and MR imaging applications. Journal of Colloid and Interface Science, v. 431, p , 214. (4) CUI, X.; BELO, S.; KRÜGER, D.; YAN, Y.; ROSALES, R.T.M.; JAUREGUI- OSORO, M.; YE, H.; SU, S.; MATHE, D.; KOVÁCS, N.; HORVÁTH, I.; SEMJENI, M.; SUNASSEE, K.; SZIGETI, K.; GREEN, M.A.; BLOWER, P.J. Aluminium hydroxide stabilised Mne 2 O 4 and e 3 O 4 nanoparticles as dual-modality contrasts agent for MRI and PET imaging. Biomaterials, v. 35, p , 214. (5) PLUEDDEMANN, E.P.; CLARK, H.A.; NELSON, L.E. HOMAN, K.R. Silane coupling agents for reinforced plastics. Modern Plastics, v.39, p , (6) BERTUOLI, P.T.; PIAZZA, D.; SCIENZA, L.C.; ZATTERA, A.J. Preparation and characterization of montmorillonite modified with 3-aminopropyltriethoxysilane. Applied Clay Science, v. 87, p ,

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