Nanobiotecnologia: presente, passado e futuro

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1 Nanobiotecnologia: presente, passado e futuro Prof. Dr. Vinicius Campos Disciplina de Nanobiotecnologia 2013 Graduação em Biotecnologia - UFPel

2 Abordagens da aula O que é Nanotecnologia? 1. Histórico da Nanotecnologia 2. Divisão da nanotecnologia 3. Nanobiotecnologia 4. Funcionalização de nanoestruturas 4. Biossegurança de nanoestruturas

3 O que é nanotecnologia? 1 nano = 10-9 = 0, = 1 bilionésimo 1 giga = 10 9 = = 1 bilhão Ex: 1 nanometro = 1 bilionésimo do metro 1 metro = 1 bilhão de nanometros

4 O que é nanotecnologia? 10 6 km 1 m 1 nm

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7 TEMPO TAMANHO

8 Histórico da Nanotecnologia 1856 Borracha reforçada com nanopartículas de negro de fumo (fuligem) Charles Goodyear

9 Histórico da Nanotecnologia A Taça de Lycurgus - século IV d. C. Império Romano Iluminada pelo lado de fora

10 Histórico da Nanotecnologia Iluminada pelo lado de dentro Partículas nanométricas de ouro (70 nm) dispersas no interior do vidro (40 ppm) produzem uma absorção de luz em torno do comprimento de onda de 520 nm.

11 Histórico da Nanotecnologia Conferência de Richard Feynman* na Reunião da Sociedade Americana de Física em 29 de dezembro de 1959: There is plenty of room at the bottom Sugeriu o arranjo de átomos de acordo com a necessidade considerado o pai da nanotecnologia Richard Feynman, * Prêmio Nobel de Física de 1965

12 Histórico da Nanotecnologia Porque não podemos escrever os 24 volumes da Enciclopédia Britânica na cabeça de um alfinete?...é minha intenção oferecer um prêmio de US$1.000 para a primeira pessoa que conseguir colocar a informação de uma página de livro em uma área 1/ menor de forma que possa ser lida em um microscópio eletrônico Eu quero oferecer outro prêmio de US$1.000 que fizer um motor elétrico que tenha o tamanho de 1/64 de polegada O segundo prêmio foi pago em novembro de 1960 a William McLellan, que construiu um motor de 250 microgramas de peso que girava a 2000 rpm; O primeiro foi concedido somente em 1985 a Tom Newman, aluno de pós-graduação de Stanford, que reduziu a primeira página do livro A tale of two cities de Dickens.

13 Histórico da Nanotecnologia 1959 Famosa conferência de Richard Feynman na Reunião da Sociedade Americana de Física N. Taniguchi cunha pela primeira vez o termo nanotecnologia para o campo da Engenharia em escala sub-micrométrica G. Binnig e H. Rohrer desenvolvem o microscópio eletrônico de tunelamento (STM) Descoberta dos fulerenos por R. Curl, H. Kroto e R. Smalley Descoberta dos nanotubos de carbono, por S. Iijima, no Japão É criada a primeira empresa de nanotecnologia, a Zyvex C. Dekker, biofísico holandês, demonstra que os nanotubos podem ser usados como transistores A. Geim e K. Novoselov obtém uma camada monoatômica de grafite, denominada grafeno.

14 Definição de Nanotecnologia A nanotecnologia é um conjunto de técnicas usadas para manipular a matéria na escala de átomos e moléculas 1 a 100 nm Nano é uma medida e não uma tecnologia A chave para a nanotecnologia é que em nanoescala a propriedade dos materiais pode mudar drasticamente efeitos quânticos

15 Nano X Macro Abaixo de 100 nm as propriedades físicas e químicas mudam Aumento da área superficial = maior reatividade. Ex.: maior penetração em células Novas propriedades óticas, elétricas e magnéticas

16 Nanoestruturas Carbono na forma de grafite (lápis) é macio e maleável; em nanoescala pode ser mais resistente que o aço e seis vezes mais leve Carbono Grafite Nanotubo de Carbono

17 Nanoestruturas O óxido de zinco é normalmente branco e opaco; em nanoescala ele se torna ele se torna transparente; ZnO Nanocristal de ZnO

18 Nanotecnologia O alumínio em nanoescala pode entrar em combustão espontânesa e pode ser utilizado como combustível para foguetes

19 Nanoestruturas

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21 Alimentos nanoestruturados VITAMINAS EM SPRAY nanogotas para melhor absorção nasal. CHOCOLATE em nanopartículas para melhor textura SUPLEMENTOS ALIMENTARES nano/micropartículas para melhor absorção intestinal.

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23 Fabricação de nanoestruturas Duas abordagens diferentes: Top-down : redução das dimensões dos dispositivos miniaturização Abordagem física Bottom-up : montar estruturas a partir de moléculas replicando a Natureza Abordagem química

24 Biologia Medicina Engenharias Biotecnologia Nanotecnologia Química Física Ciência dos materiais Informática

25 Divisão da nanotecnologia

26 Nanotecnologia Pode ser dividida em três grandes áreas: Nanoeletrônica Nanomateriais Nanobiotecnologia

27 Nanoeletrônica Anos 20 a 70 - Válvulas

28 Nanoeletrônica Anos Microchip

29 Nanoeletrônica Nanochip

30 Nanomateriais Área da nanotecnologia que busca controlar a morfologia dos materiais em escala nano; Instrumentos de medição e manipulação Microscópio de força atômica

31 Imagens obtidas por Microscopia de Força Atômica (AFM) 1.5 m DNA nanotubos de carbono

32 Nanobiotecnologia

33 Nanotecnologia Quando aplicada às ciências da vida recebe o nome de Nanobiotecnologia Formas variadas aplicadas a Industria Farmacêutica e Médica Emulsões múltiplas e inversas, Micro e nanogéis, Nanopartículas poliméricas biodegradáveis, Nanopartículas lipídicas sólidas, Lipossomas, Quantum dots Nanotubos

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35 Nanobiotecnologia 1. Nanotubos 2. Nanopartículas 3. Nanopolímeros 4. Quantum dots/pontos quânticos

36 Nanotubos de carbono

37 Nanotubos de haloisita Nanotubos naturalmente formados

38 Aplicações dos Nanotubos Transfecção de ácidos nucléicos DNA RNA RNAi Entrega de fármacos/drug delivery Nanoantibióticos Nanovacinas Nanoanticorpos

39 Nano-Sperm-mediated gene transfer

40 Nanopartículas Nanocápsulas Nanopartículas magnéticas Nanopartículas poliméricas Lipossomos

41 Lipossoma Nanopartículas Lipídicas Sólidas Nanopartículas Poliméricas Nanopartículas Metálicas/Magnéticas Nanoemulsões

42 Aplicações das Nanopartículas Entrega de ácidos nucléicos Drug delivery Nanoencapsulamento de fármacos Liberação controlada de fármacos Diagnóstico de donças Nanocosméticos

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47 Nanofármacos: vantagens Conforto para o paciente Administrações mais espaçadas Menos efeitos colaterais

48 Nanofármacos: d vantagens Econômicas Doses mais baixas de fármaco Ressuscita medicamentos descartados pela toxicidez Aumenta o tempo de patente do medicamento P & D com menor custo X novas moléculas

49 Nanofármacos: d desvantagens Possível toxicidez dos polímeros e seus produtos Dependendo do polímero, custo mais elevado que medicamento convencional

50 Nanocosméticos e nanopartículas

51 Melhoria da textura do creme e formação de um filme mais eficiente de protetores solar, (nanopartículas de dióxido de zinco). Nanocosméticos e nanopartículas Uso de Nanocosméticos Partículas metálicas para aumento de brilho em maquiagens; Nanoemulsões para cabelos mais hidratantes; Proteção de ativos contra a degradação, (encapsulamento da vitamina C); Liberação em camadas mais profundas da pele de ativos antirugas;

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53 Nanopolímeros Nanopolímeros catiônicos Nanopolimeros dendrímeros

54 Aplicações dos Nanopolímeros Transfecção de ácidos nucleicos Drug delivery Scaffolds Células tronco Scaffolds

55 Funcionalização Este processo trata das alterações nas propriedades eletrônicas e estruturais das nanoestruturas. Neste caso, átomos ou moléculas podem ser adsorvidos ou ligados às nanoestruturas, alterando, de alguma forma, as propriedades originais, acrescentando com novas propriedades.

56 Funcionalização

57 Funcionalização

58 Biossegurança em Nanobiotecnologia Se as nanopartículas entram nas células, quais seus efeitos fisiológicos nos tecidos? As nanopartículas poderiam ganhar acesso à circulação sistêmica a partir do contato com a pele? Isso seria relevante para medicamentos e cosméticos? Qual o efeito de terapias usando nanotubos?

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60 O futuro da nanobiotecnologia

61 O futuro da nanobiotecnologia

62 Revisando início da nanotecnologia 2. Efeito quântico 3. Botton-up/Top-down 4. Ciência multidisciplinar 5. Nanoeletrônica/Nanomateriais/Nanobiotecnologia 6. Nanotubos/Nanopartículas/Nanopolímeros/Pontosquânticos 7. Funcionalização 8. Biossegurança 9. Nanorrobótica

63 Prof. Dr. Vinicius Farias Campos Graduação em Biotecnologia