Unicamp desenvolve nanopeneiras de polímeros para uso biomédico

Aplicações biológicas e biomédicas
Pesquisadores da Unicamp acabam de desenvolver nanopeneiras poliméricas, com aplicações principalmente em processos biológicos, que prometem ser alternativa bem mais eficaz do que as membranas de microfiltração disponíveis no mercado.

São materiais biocompatíveis e biodegradáveis de uso potencial, por exemplo, em cápsulas implantadas no corpo humano para a liberação controlada de medicamentos.

"Não há registro na literatura de peneiras ou membranas com este polímero e a mesma homogeneidade e dimensões submicrométricas dos poros. Essas características permitem direcioná-las para aplicações biológicas, como filtração de vírus, bactérias e glóbulos vermelhos", afirma o pesquisador Luis Enrique Gutierrez-Rivera.

Litografia holográfica
Segundo a professora Lucila Cescato, orientadora da pesquisa, o processo de fabricação das nanopeneiras envolveu a litografia interferométrica (ou holográfica), técnica desenvolvida no Instituto de Física da Unicamp. "A técnica consiste em projetar um padrão de interferência, gerado através de dois feixes de laser que, quando coincidem no espaço, demarcam regiões claras e escuras, intercaladamente".

Este padrão de luz e sombra é gravado duas vezes no material fotossensível (no caso, a resina negativa SU-8). A resina é girada em 90 graus entre as exposições e submetida posteriormente à revelação.

"Quando removemos a região não-sensibilizada, formam-se os poros. E, se promovermos mais exposições ao padrão de interferência, é possível gerar estruturas tridimensionais".

Polímeros substituindo o silício
As nanopeneiras foram fabricadas com o polímero PLLA (mistura de ácido poli-L-láctico), que tem a propriedade de se decompor e ser absorvido pelo organismo.

"Na década de 1990, o material dominante em sistemas microeletromecânicos para aplicações biomédicas era o silício, mas nos últimos anos vem sendo cada vez maior a utilização de polímeros, devido às suas propriedades de biocompatibilidade e moldabilidade".

Lucila Cescato observa, entretanto, que as membranas comerciais são produzidas através da síntese de polímeros, o que implica em pouca uniformidade no tamanho dos poros e também na sua estrutura.

Filtros de café e filtros de hemodiálise
"As indústrias de alimentos e químicas utilizam largamente estas membranas na filtração de partículas em função do baixo custo. Ocorre que esses processos não exigem tanta seletividade; coadores de café, por exemplo, são membranas deste tipo".

Já em uma hemodiálise, onde a seletividade é essencial, irregularidades no tamanho dos poros e na morfologia oferecem uma probabilidade, ainda que pequena, de que uma bactéria passe pela membrana. "Diferentemente dos materiais sólidos, os sistemas vivos são mais complicados, havendo células que se contraem e conseguem passar por cavidades menores que o seu tamanho", ilustra a professora.

Além da homogeneidade dos poros, as nanopeneiras possuem superfície lisa, o que facilita o escoamento e permite a retrolavagem, quando um dos problemas na filtração é o entupimento e inutilização das membranas. Por outro lado, Lucila Cescato atenta que por serem muito finas, as nanopeneiras não funcionam em processos industriais com taxa de filtragem e pressão elevadas.

"O preço também não seria competitivo para uso em larga escala. Sua melhor aplicação é na filtragem por difusão".

Entrega de medicamentos
Por conta disso, Luis Gutierrez-Rivera buscou nanopeneiras com dimensões e características apropriadas para cápsulas que funcionam como microrreservatórios de onde drogas são difundidas para o fluxo sanguíneo, um processo conhecido como drug delivery system.

"A uniformidade dos poros torna o processo muito mais controlável. A eficácia das drogas depende da concentração adequada: doses acima do indicado são tóxicas, enquanto doses baixas não possuem efeito terapêutico e geram resistência".

Outra aplicação pensada para esses dispositivos é em microrreservatórios contendo células vivas produtoras de substâncias como a insulina. "Além de controlar a taxa de difusão de insulina para o corpo, a nanopeneira protege as células produtoras em seu interior, já que o diâmetro reduzido dos poros impede que os anticorpos entrem para destruí-las".

As nanopeneiras poderiam substituir as membranas poliméricas em mais uma aplicação importante, como biossensores que monitoram o fluxo de sangue através das artérias para detectar possíveis estreitamentos. A vantagem dos dispositivos desenvolvidos por Gutierrez-Rivera está, mais uma vez, na uniformidade dos poros e da estrutura, ao passo que as membranas comerciais apresentam problemas de permeabilidade e seletividade com frequência.
Nanopeneiras mais baratas
O pesquisador explica que, em membranas comerciais, a máxima homogeneidade de poros, na faixa submicrométrica, é obtida pela técnica de track etching, ainda assim com distribuição aleatória e variação de tamanho em torno de 35%. "Na última década, têm sido empregadas técnicas de fotolitografia de alta resolução para alcançar melhor homogeneidade e dimensões apropriadas para novas aplicações biológicas, tais como análise de proteínas e separação de vírus".

A ressalva do pesquisador é que, para fotolitografar poros com dimensões submicrométricas, são necessárias fontes de comprimento de onda muito pequenos, como feixe de elétrons, feixe de íons, luz ultravioleta ou raio X, sistemas extremamente caros ou que se restringem a áreas muito pequenas.

"A técnica que utilizamos - exposição holográfica ou litografia interferométrica - mostrou-se uma alternativa interessante e de baixo custo para gravação de poros com dimensões na faixa de 0,2 a 1 mícron, em áreas de até 4 polegadas, de uma só vez".

Como acrescenta a professora Lucila Cescato, esta técnica permite gravar poros extremamente pequenos em uma área grande, o que seria muito difícil com outro tipo de processo. "O sistema de escrita por feixe de elétrons ou de íons, cujo instrumental é caríssimo, grava em áreas de 100 por 100 micrômetros. Recorrendo à litografia holográfica, gravamos praticamente com a mesma resolução (poros na faixa de 200 a 600 nanômetros) em áreas de centímetros".

Filtros micromecânicos eliminam ruídos em telefones celulares

Pesquisadores da Universidade Purdue, nos Estados Unidos, estão desenvolvendo uma nova classe de minúsculos filtros mecânicos que poderão substituir com ganhos os circuitos eletrônicos utilizados para filtrar interferências em telefones celulares e outros equipamentos de telecomunicações.

Filtro de frequências
Os dispositivos, chamados ressonadores, vibram em padrões específicos, o que os permite cancelar ruídos de frequências determinadas, enquanto permitem a passagem das frequências desejadas. O resultado é um novo tipo de filtro "passa-banda", um componente largamente utilizado em eletrônica para permitir que somente os sinais adequados cheguem aos circuitos dos telefones celulares.

Esses filtros são elementos críticos para os telefones celulares e outros equipamentos eletrônicos portáteis porque eles permitem que esses aparelhos processem os sinais com um mínimo de interferência e com um máximo de eficiência de transmissão.

A nova tecnologia micromecânica tem o potencial para permitir a miniaturização dos filtros atuais, ao mesmo tempo em que melhora seu desempenho e reduz a energia necessária para o funcionamento dos aparelhos.

Micromecânica
O microfiltro é um exemplo de MEMS, ou sistema microeletromecânico, essencialmente uma máquina em miniatura, formada por peças microscópicas. No filtro micromecânico agora desenvolvido os sinais de entrada geram uma tensão que produz uma força eletrostática, fazendo com que o dispositivo vibre.

Além da utilização em telefones celulares, os ressonadores podem ser usados como sensores químicos e biológicos em aplicações industriais e medicinais.

Memórias mecânicas
Segundo o pesquisador Jeffrey Rhoads, existe ainda a possibilidade de uso desses MEMS como uma "memória mecânica," que usaria os padrões de vibração para armazenar informações.

"O potencial para uso como memória de computador está mais a longo prazo e é mais desafiador," diz Rhoads. "Nós estamos falando sobre a possibilidade de criar comportamentos complexos a partir de subestruturas relativamente simples, como na biologia celular você pode ter um comportamento relativamente complexo combinando centenas de milhares de células simples."

Pinças acústicas manipulam células vivas usando som

As pinças ópticas, assim como várias outras técnicas para movimentar células e nanopartículas usando apenas a luz já estão presentes nos principais laboratórios do mundo. Contudo, seu funcionamento exige equipamentos grandes e complexos, de difícil miniaturização.

Agora, cientistas da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos, passaram da luz para o som, criando pinças acústicas capazes de manipular os mesmos objetos em nanoescala, mas tão pequenas que poderão ser inseridas no interior de biochips.

Movendo células
"As técnicas atuais para movimentar células individuais ou pequenas gotas exigem um bocado de energia e podem danificar e até mesmo matar as células vivas. As pinças acústicas são muito menores do que as pinças ópticas e usam 500.000 vezes menos energia," diz o professor Tony Jun Huang.

A possibilidade de manipular células vivas sem danificá-las, por si só seria suficiente para colocar a nova ferramenta de laboratório em destaque. Mas ela conta ainda com a vantagem de poder ser construída com as mesmas técnicas que a indústria eletrônica usa para fabricar os chips de computador.

Uma pesquisa recente começou a eliminar algumas das deficiências das pinças ópticas, ao usar a luz para induzir o movimento natural das células vivas.

Pinças acústicas
As pinças acústicas são diferentes das pinças de sobrancelha - na verdade, são bem mais versáteis. Elas permitem posicionar vários objetos simultaneamente, dispondo-os equidistantes uns dos outros, formando linhas paralelas ou uma matriz.

Esta disposição física é provavelmente a mais útil nas pesquisas biológicas, permitindo que os cientistas disponham as células de forma a testar cada uma individualmente ou iniciem processos de cultivo para o crescimento de tecidos artificiais. A disposição organizada e ordenada facilita a aplicação dos diversos compostos químicos, assim como o monitoramento dos resultados.

A utilidade das pinças acústicas, contudo, vai além da biologia. Nanocientistas, físicos, químicos e cientistas dos materiais poderão usá-las para criar padrões de nanopartículas com qualquer finalidade, desde a fabricação de novos revestimentos até a criação de máscaras para o desenho de nanoestruturas.

Interação de ondas sonoras
As pinças ópticas funcionam por meio do controle preciso de várias ondas sonoras interagindo entre si.

Como as ondas sonoras têm pressão, elas podem empurrar objetos pequenos, como uma célula ou uma nanopartícula. Se duas fontes acústicas são colocadas em posições opostas, emitindo ondas sonoras de mesmo comprimento de onda, as duas ondas se anularão em um ponto preciso do espaço entre as duas fontes. Esse ponto pode ser visto como um canal, onde a pressão cessa e as partículas param de se movimentar.

Ao serem despejadas no recipiente ao redor do qual as ondas sonoras controladas estão sendo emitidas, essas partículas serão movimentadas até encontrarem o canal - o ponto onde as duas ondas sonoras se anulam - permanecendo aí.

Se os sons são emitidos a partir de fontes paralelas e opostas, os canais formarão linhas e conjuntos de linhas. Se as fontes sonoras forem colocadas nos ângulos corretos, os canais formarão estruturas de linhas e colunas precisas, como um tabuleiro de xadrez.

Ao serem despejadas sobre o recipiente, as partículas se movimentarão até se ajustarem precisamente às interseções dos diversos canais, onde nenhuma força as forçará a movimentar-se novamente.

As pinças acústicas utilizam transdutores interdigitais como fontes de som, construídos sobre a superfície piezoelétrica de um chip. Usando a fotolitografia, a superfície do chip é escavada para formar canais. Esses canais são preenchidos com líquido para que as células e nanopartículas possam mover-se livremente sob a ação do som.

NanoCaneta poderá escrever novos capítulos da nanotecnologia

Pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, criaram uma nanocaneta capaz de depositar de forma direta, rápida e precisa, qualquer padrão de nanopartículas, onde as nanopartículas funcionam como se fossem tinta.

Existem diversas técnicas para a deposição de nanopartículas, incluindo pinças ópticas, pinças acústicas e os já tradicionais microscópios eletrônicos que permitem a manipulação de átomos individuais.

Contudo, as técnicas atuais tendem a ser muito complexas e lentas, exigindo equipamentos grandes e levando horas para criar mesmo os padrões mais simples. Mesmo uma caneta-tinteiro da era nanotecnológica, criada há alguns anos, continua dependente dos microscópios eletrônicos.
Nanocaneta
Arash Jamshidi e seus colegas acreditam ter uma proposta melhor. Segundo eles, sua nanocaneta resolve todos estes problemas. Em escala de laboratório, eles conseguiram usar seu equipamento para depositar nanopartículas em padrões específicos na presença de pouca luz e a temperatura relativamente baixa.

A base da nanocaneta é uma pinça optoeletrônica, criada no mesmo laboratório em 2005. Essa "pinça" - na verdade o aparato está mais para uma correia transportadora de nanopartículas - permite a manipulação de nanopartículas por meio de imagens ópticas projetadas sobre um substrato de vidro revestido com material fotocondutor.

O processo de escrita com a nanocaneta leva apenas alguns segundos para se completar. A "secagem" da tinta corresponde à estabilização das nanopartículas nas linhas traçadas pela nanocaneta. Cada nanopartícula tem algumas poucas dezenas de nanômetros de diâmetro.

Ferramenta para nanotecnologia
Selecionando as nanopartículas - metálicas ou semicondutoras - é possível criar de simples fios a circuitos complexos.

A nanocaneta tem potencial para se transformar em uma ferramenta essencial nos laboratórios de nanociências e nanotecnologias, onde são construídos e testados dispositivos eletrônicos futurísticos, como computadores moleculares, biochips para diagnóstico médico, além de inúmeras outras possibilidades.

O tamanho e a densidade dos padrões, ou das linhas traçadas pela nanocaneta, podem ser ajustados pela variação da tensão, da intensidade de luz e do tempo de exposição à luz. Para funcionar, a escrita deve ser aplicada sobre uma superfície fotocondutora.

Motor quântico será o menor motor elétrico do mundo

Idealização do motor quântico atômico, onde um átomo neutro e um íon ficam aprisionados no interior de um anel de luz.



Com a miniaturização e a nanotecnologia, torna-se cada vez mais difícil estabelecer qual dispositivo seria "o menor do mundo" em qualquer categoria. Por exemplo, qual seria o menor motor do mundo?

Em termos de dispositivos eletromecânicos, até agora ninguém se ofereceu para bater o nanomotor construído pela equipe do professor Alex Zettl, que é menor do que um vírus.

Motor quântico atômico
Mas agora, a equipe do professor Peter Hanggi, da Universidade de Augsburg, na Alemanha, lançou um conceito que deixa para trás os nanomotores e até os motores moleculares, chegando a um motor atômico, não no sentido de ser alimentado por energia atômica, mas de ser formado por átomos.

Mais especificamente por dois átomos e um feixe de luz de um laser. Os pesquisadores acreditam que este é de fato o conceito do menor motor elétrico possível de se construir, um motor quântico atômico.

Leis da mecânica quântica
Um motor elétrico é definido como um equipamento capaz de transformar energia elétrica em trabalho mecânico e é geralmente feito com bobinas ou com bobinas e ímãs permanentes. Mas, quando se atinge o nível atômico, as coisas começam a ficar mais complicadas.

"Como nesse nível não são as leis da física clássica que se aplicam, mas as leis da mecânica quântica, a conversão de energia elétrica em trabalho mecânico não é uma tarefa trivial, diz Hanggi.

A saída para construir esse motor atômico quântico, segundo os físicos, é capturar dois átomos superfrios em um anel de luz formado por um feixe de laser. Um dos átomos, que é neutro, funciona como motor de partida e o outro, que é um átomo carregado eletricamente, um íon, funciona como o rotor propriamente dito, que vai caracterizar um motor em funcionamento.

Mundo sem atrito
Um campo elétrico com uma oscilação específica, aplicado paralelamente ao eixo do anel de luz, faz com que o átomo de partida interaja com o íon por meio de forças eletromagnéticas, empurrando o átomo-rotor numa direção específica. O mais interessante é que os cientistas não sabem explicar o papel exato que o átomo de partida desempenha no experimento. Mas o motor quântico não funciona se ele for retirado.

A oscilação do campo elétrico externo também é um fator determinante no funcionamento do motor. "Como não há atrito nesse mundo, é crucial dar ao motor uma direção quando o íon é empurrado, a fim de que ele possa desempenhar um trabalho em oposição a uma força externa," diz Hanggi.

A teoria está estabelecida. Agora, o desafio fica com os físicos experimentalistas, que terão que vencer os muitos desafios para a construção do primeiro protótipo do motor quântico.

Rodando sem parar
A falta de atrito nas "partes móveis" do motor elétrico quântico resulta em outra característica inusitada de seu funcionamento - ele permanecerá rodando indefinidamente, mesmo depois que a corrente alternada externa for desligada.

"Depois de desligar o campo eletromagnético, o motor simplesmente continua rodando, porque não há atrito de frenagem no seu mundo quântico, que consiste apenas de dois átomos," explica o pesquisador.

Biochip faz mais de mil reações químicas simultâneas

Frascos, béqueres e pipetas poderão brevemente tornar-se coisas do passado nos laboratórios de química. Em vez de manusear alguns poucos experimentos sobre a bancada, os cientistas poderão simplesmente conectar um biochip em um computador e rodar instantaneamente milhares de reações químicas.

O resultado será literalmente encolher o laboratório para as dimensões de uma moeda.


Biochip controlado por um PC
Caminhando nessa direção, pesquisadores da Universidade da Califórnia, nos Estados unidos, desenvolveram uma tecnologia capaz de executar mais de 1.000 reações químicas de uma só vez, no interior de um biochip do tamanho de um selo.

O biochip, que é controlado por meio de um PC, poderá acelerar a identificação de compostos químicos candidatos à formulação de novos medicamentos para um sem-número de doenças, como o câncer, por exemplo.

O biochip é resultado de uma colaboração entre químicos, biólogos e engenheiros. Ele foi construído com base na chamada microfluídica - a utilização de dispositivos miniaturizados para manusear automaticamente minúsculas quantidades de líquidos.

Química click
As reações químicas no interior do biochip são feitas por meio de um processo conhecido como química click, onde as moléculas juntam-se de forma rápida e imitando os processos naturais.
Essa técnica, criada pelo Nobel de Química Barry Sharplless, tem sido usada frequentemente para identificar moléculas potenciais para medicamentos, as quais ligam-se a enzimas seja para ativar ou inibir um efeito em uma célula.

Tradicionalmente os biochips têm sido utilizados para realizar algumas poucas dessas reações químicas de cada vez. Agora os pesquisadores desenvolveram a tecnologia necessária para induzir múltiplas reações, criando um novo método mais rápido para analisar quais moléculas funcionam melhor com cada enzima estudada.

Análise off-line
O protótipo é um chip capaz de executar 1.024 reações simultaneamente. No teste de funcionamento, ele foi capaz de identificar potentes inibidores para a enzima bovina anidrase carbônica.

O teste, feito em poucas horas, compreendeu mais de mil ciclos de processos complexos, incluindo a amostragem controlada e a mistura de uma biblioteca de reagentes. No momento, o protótipo permite a análise das reações apenas de modo off-line, mas, no futuro, os pesquisadores planejam automatizar essa tarefa.

Economia de reagentes
"As preciosas enzimas necessárias para uma única reação local de química click em um laboratório tradicional agora podem ser divididas em centenas de duplicatas para executar centenas de reações em paralelo," diz o professor Hsian-Rong Tseng, coordenador do grupo que criou o biochip.

"Isso vai revolucionar o trabalho nos laboratórios, reduzindo o consumo de reagentes e acelerando o processo de identificação de candidatos a novos medicamentos," afirmou o cientista.
Os próximos passos da pesquisa incluem testes para o uso do novo biochip para outras reações químicas de classificação de compostos nos quais os compostos e as amostras estejam disponíveis apenas em quantidades muito limitadas - por exemplo, com uma classe de proteínas chamadas quinases, que desempenham um papel crucial nas transformações malignas do câncer.

Descoberta força repulsiva da luz

Força repulsiva da luz

Cientistas da Universidade de Yale, nos Estados Unidos, descobriram um tipo de força repulsiva da luz que pode ser utilizada para controlar componentes construídos em chips de silício, o que significa que futuros nanodispositivos poderão ser controlados pela luz, e não mais pela eletricidade.

A equipe havia previamente descoberto a força atrativa da luz e demonstrado como ela pode ser manipulada para movimentar componentes em micro e em nano-máquinas construídas em pastilhas de silício, usando a mesma tecnologia que os microprocessadores.

O mesmo grupo de cientistas agora descobriu a força repulsiva complementar àquela primeira. Pesquisadores teorizavam a existência das duas forças desde 2005, mas a segunda delas permanecia até agora sem comprovação.

"Isto completa o quadro, diz Hong Tang, coordenador da equipe. "Nós demonstramos que de fato há uma força bipolar da luz com um componente atrativo e com outro componente repulsivo.

Força na diagonal

As forças atrativa e repulsiva descobertas pela equipe do Dr. Tang são distintas da força criada pela pressão da radiação da luz, que exerce uma pressão sobre um objeto quando a luz incide sobre ele. Em vez disso, as forças agora demonstradas puxam ou empurram o objeto na diagonal da direção na qual a luz viaja.

No experimento anterior, os pesquisadores usaram a força atrativa que descobriram para mover componentes em um chip de silício em uma direção, como puxar uma nanochave para abri-la, mas foram incapazes de empurrá-la na direção oposta para que ela se fechasse.

Ao conseguir usar as duas forças, agora eles têm controle completo e podem manipular os componentes nas duas direções. Esses dispositivos mecânicos ultraminiaturizados são conhecidos como MEMS (MicroElectroMechanical Systems) e NEMS (NanoElectroMechanical Systems), dependendo se suas partes são construídas com precisão na faixa dos micrômetros ou dos nanômetros.

Feixes de luz fora de fase

Para criar a força repulsiva em um chip de silício, a equipe dividiu um feixe de luz infravermelha em dois feixes separados e forçou cada um deles a viajar por uma distância diferente ao longo de um nanofio de silício especial, chamado guia de ondas.

Como resultado, os dois feixes de luz saíram de fase um em relação ao outro, criando uma força repulsiva com uma intensidade que pode ser controlada - quanto mais fora de fase estiverem os dois feixes, mais forte será a força.

"Nós podemos controlar como os feixes de luz interagem," afirmou Mo Li, que é o principal autor do artigo que descreve a descoberta. "Isto não é possível no espaço livre - somente é possível quando a luz está confinada nas guias de onda nanoscópicas que estão colocadas muito próximas entre si no interior do chip."

Aplicações em telecomunicações

"A força da luz é intrigante porque ela funciona de forma contrária à dos objetos carregados," diz Wolfram Pernice, outro membro da equipe. "Cargas opostas atraem-se mutuamente, enquanto os feixes de luz fora de fase repelem-se."

Essas forças da luz poderão um dia controlar dispositivos de telecomunicações que exigirão muito menos potência, mas trabalharão muito mais rapidamente do que seus equivalentes atuais, explicou o professor Tang.

Um benefício adicional de usar a luz em vez da eletricidade é que ela pode ser roteada ao longo de um circuito sem praticamente nenhuma interferência no sinal, além de eliminar a necessidade da construção de um grande número de fios elétricos no interior dos chips.