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Cerâmica

Print version ISSN 0366-6913On-line version ISSN 1678-4553

Cerâmica vol.63 no.366 São Paulo Apr./June 2017

http://dx.doi.org/10.1590/0366-69132017633662080 

Articles

Modificação da superfície de nanocompósitos de Fe2O3/Fe3O4 visando seu uso para imobilização da glicose oxidase

Surface modification of Fe2O3/Fe3O4 nanocomposites for use in immobilization of glucose oxidase

I. L. T. Albuquerque1 

P. T. A. Santos1 

D. R. Cornejo2 

S. M. C. M. Bicalho3 

L. S. C. Oliveira4 

A. C. F. M. Costa1 

1Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, PB, Brasil 58109-970, izabelleliz@hotmail.com, patytaraujo@gmail.com, ana.costa@ufcg.edu.br

2Instituto de Física, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil 05508-900, daniel.r.cornejo@gmail.com

3JHS Laboratório Químico, Sabará, MG, Brasil 34650-120, dbrandao@jhs.med.br

4Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, PB, Brasil 58109-970, libiaconrado@yahoo.com.br

Resumo

O aumento no número de pessoas portadoras de diabetes nos últimos anos e a elevada relação custo benefício da tecnologia de biossensores existentes têm motivado um crescente interesse no desenvolvimento de biossensores de detecção de glicose baseados na imobilização da glicose oxidase (GOD) utilizando-se principalmente nanopartículas magnéticas. Neste contexto, nanocompósitos de Fe2O3/Fe3O4 foram sintetizados por reação de combustão e tiveram sua superfície modificada com 3-aminopropiltrimetoxissilano via reação de silanização e com quitosana via reação de funcionalização para obter um material híbrido que foi avaliado como possível imobilizador de GOD. As amostras foram caracterizadas por difração de raios X, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, análise termogravimétrica, microscopia eletrônica de varredura e de transmissão, propriedades magnéticas e citotoxidade in vitro. Os resultados mostraram que foi possível obter o compósito ferrimagnético, a modificação da superfície reduziu a magnetização de saturação, mas manteve a característica ferrimagnetica, e todas as amostras foram consideradas não tóxicas. Para os testes preliminares de imobilização da GOD foi revelado que o nanocompósito modificado com silano e quitosana apresentou melhor resultado, cerca de 2,7 mg de GOD imobilizados para cada 100 mg de nanocompósito, o que torna este material uma possível alternativa para ser utilizado na fabricação de bissensores de GOD.

Palavras-chave: nanocompósitos; modificação da superfície; imobilização de GOD

Abstract

The increase in the number of people with diabetes in recent years and the high cost-benefit ratio of the existing biosensor technology have increased the interest for the development of glucose detection biosensor based on immobilization of glucose-oxidase (GOD) mainly using magnetic nanoparticles. In this context, nanocomposites of Fe2O3/Fe3O4 were prepared by combustion reaction and their surface was functionalized with 3-aminopropyltriethoxysilane via silanization reaction and with chitosan via functionalization to obtain a hybrid material that was evaluated as possible GOD immobilizer. The samples were characterized by powder X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetry, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, magnetic properties and in vitro cytotoxicity. The results revealed that it was possible to obtain the ferrimagnetic composite, the surface modification reduced the saturation magnetization, but maintained the ferrimagnetic characteristics, and all samples were considered non-toxic. For preliminary testing of the GOD immobilization it was revealed that the nanocomposite modified with silane and chitosan showed the better result, about 2.7 mg of immobilized GOD for 100 mg of nanocomposite, which makes this material a potential alternative to manufacture GOD biosensors.

Keywords: nanocomposites; surface modification; GOD immobilization

INTRODUÇÃO

As nanopartículas magnéticas (NPMs) à base de óxido de ferro podem exibir comportamento ferrimagnético, antiferromagnético e/ou superparamagnético dependendo da presença dos íons Fe2+ e/ou Fe3+, da sua distribuição na estrutura cristalina e do tamanho de partícula resultante que depende exclusivamente do método de síntese utilizado1. Dentre as fases polimórficas do óxido de ferro, o Fe2O3 (hematita) e o FeFe2O4 (magnetita) são conhecidos por serem antiferromagnético e ferrimagnético, respectivamente. Estas características magnéticas podem ser alteradas dependendo do tipo de método de síntese utilizado na produção, o que pode conferir energia térmica suficiente para alterar a distribuição dos cátions na estrutura cristalina e contribuir para a formação de nanopartículas. O Fe2O3 antiferromagnético com a presença da fase Fe3O4 passa a apresentar comportamento ferrimagnético ou superparamagnético dependendo da percentagem correspondente a cada fase e do tamanho da partícula1. Deste modo a obtenção de nanocompósitos de Fe2O3/Fe3O4 em uma só etapa de processamento pode ser promissora para obtenção de novos materiais magnéticos. Dependendo do método de síntese utilizado a NPM à base de óxido de ferro apresenta grande superfície e elevada área de transferência de massa, estabilidade térmica e química, e baixa toxicidade, qualidades ideais para o uso em aplicações biomédicas2), (3, tais como: biossensores4, carreadores de fármacos5), (6, agente de contraste nos exames por ressonância magnética7, tratamento de hipertermia para células malignas e imunoensaios8, purificação de DNA e RNA9, separação de enzimas10), (11 e proteínas12.

Porém, para estas aplicações as NPMs precisam apresentar alta área de superfície, baixa aglomeração, boa dispersão em fluidos corpóreos para se locomover dentro do corpo humano e acima de tudo comportamento magnético que permita ser facilmente atraída por um imã e desmagnetizem espontaneamente. Um problema é que quando as partículas são nanométricas, a área de superfície é muito elevada, o que fornece alta energia superficial que atua como força motriz para a aglomeração das NPMs. Como solução ou minimização destes problemas têm-se os materiais híbridos que apresentam novas propriedades devido a diferentes contribuições de cada um dos compostos em sua propriedade resultante, aumentando a sua aplicabilidade. Para obter um material híbrido, faz-se necessária a modificação da superfície, com o auxílio de um agente de acoplamento, permitindo assim uma melhor adesão entre as moléculas inorgânicas e orgânicas. A modificação se dá por reação de silanização, ou seja, reação de compostos organossilanos com a superfície das NPMs, sendo o organossilano imobilizado na superfície das NPMs. Os agentes silanos apresentam fórmula geral Y(CH2)nSi(OR)3, onde OR é um grupo alcoxi (-OCH3 ou -OC2H5), enquanto que Y é um grupo organofuncional (-CH=CH2, -Cl, -NH2 ou -N=C=O). A presença de grupos hidroxilas (-OH) na superfície das partículas é indispensável para promover a reação com agentes de acoplamento do tipo silano, onde os grupos (OR)3 se hidrolisam formando grupos silanois (Si-OH) que reagem com materiais inorgânicos. Por outro lado, seu grupo R é capaz de reagir com os monômeros a serem polimerizados formando assim materiais híbridos orgânicos inorgânicos13. Os agentes silanos mais utilizados são: 3-aminopropiltrimetoxissilano, 3-aminopropiltrietoxissilano, tetraetilortossilicato, meta-criloxipropiltrimethoxissilano, 3-cloropropil-trimetoxissilano e trietoxivinilsilano14), (15), (16), (17.

Porém, para as aplicações citadas as NPMs necessitam ser funcionalizadas com um material biologicamente ativo. As biomoléculas que podem ser utilizadas para funcionalizar NPMs devem apresentar alta massa molecular, boa estabilidade e sensibilidade, baixo custo, fácil conjugação entre o antígeno e a biomolécula, e detecção precisa. As biomoléculas mais comuns são dextran, polietileno glicol, álcool polivinílico e quitosana2), (18. Dentre estas biomoléculas, a quitosana é um biopolímero com estrutura química formando um policátion linear, com elevada densidade de carga, atóxico, que apresenta grupos aminas e hidroxilas e inúmeras ligações de hidrogênio. Estas características permitem que exiba uma excelente biocompatibilidade, favorecendo a ligação da quitosana com o antígeno, dando uma resposta imunológica19 e a propriedade de conjugação, que é a capacidade de ligar-se a substâncias como o colesterol, gorduras, íons metálicos, proteínas, células tumorais e enzimas, como a glicose oxidase (GOD)20), (21), (22. Muitos estudos têm sido realizados sobre a concepção e fabricação da quitosana baseada em sistemas híbridos por modificar quimicamente os grupos amino e/ou hidroxila, a fim de alcançar melhores propriedades mecânicas, bem como favorecer as propriedades biológicas23. Estudos mostram resultados promissores em relação à biocompatibilidade e boa propriedade magnética na obtenção de um filme híbrido orgânico inorgânico formado a partir do gel entre o 3-aminopropiltrietoxissilano e a quitosana para ser aplicado como um biossensor na imobilização in situ da glicose oxidase24, como o híbrido NPMs/sílica/quitosana no tratamento de tumores cancerígenos25 e o ternário NiFe2O4/CuO/FeO/quitosana como biossensores de glicose26.

A etapa de funcionalização constituiu basicamente de um núcleo magnético, envolvido por uma camada polimérica com sítios ativos (grupos funcionais) e seletivos para íons ou moléculas27. Tem como finalidade evitar a agregação e sedimentação das partículas, bem como conceder pontes de conjunção biológica, onde uma molécula se liga especificamente ao sítio alvo podendo ser atraído para o tecido/célula alvo por manipulação de um campo magnético externo28), (29), (30. Pesquisas mostram que o efeito de revestimento com o biopolímero quitosana, por meio de diversos métodos, nas nanopartículas magnéticas não afetou a propriedade de magnetização, o que o viabiliza para aplicações em biossensores, hipertemia e agente antimicrobiano e antifúngico, entre outros31), (32), (33. A Fig. 1 ilustra de forma simplificada a formação do híbrido das nanopartículas de hematita modificando sua superfície com um silano e quitosana.

Figura 1: Representação simplificada da modificação da superfície da hematita com o agente silano 3-aminopropiltrimetoxissilano (APTMS) e quitosana. 

Figure 1: Simplified representation of surface modification of hematite with silane agent 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and chitosan. 

Na literatura científica observa-se a constante utilização de materiais híbridos na imobilização da enzima GOD8), (20), (21), (22), (34. Devido à sua alta especificidade, a GOD é usada como elemento biocatalítico para se medir os níveis de açúcar no sangue e por isso tem sido usada na fabricação de biossensores. Neste caso, a enzima pura deve ser imobilizada na superfície do eletrodo, mantendo sua atividade catalítica35. O suporte ideal para a imobilização de enzimas deve ser insolúvel em água, se ligar facilmente à enzima e ser inerte quimicamente. Os métodos mais comuns para imobilização de enzimas são através de encapsulamento (em matrizes ou microcápsulas poliméricas) ou através de ligações físicas ou químicas da enzima ao suporte36. A seleção do método de imobilização depende essencialmente do suporte a ser utilizado na confecção do biossensor. Segundo8, a imobilização da GOD utilizando Fe3O4/SiO2 ocorre de acordo com o esquema ilustrativo apresentado na Fig. 2. Neste contexto, propõe-se neste trabalho avaliar a modificação da superfície dos nanocompósitos de Fe2O3/Fe3O4, sintetizados por reação de combustão, com 3-aminopropiltrimetoxissilano (APTMS) e com o biopolímero quitosana visando a obtenção de um material híbrido para aplicação como biossensores para imobilização da GOD. Para esse fim, as propriedades estruturais, morfológicas, térmicas e magnéticas das amostras foram investigadas, associadas a estudo de citotoxicidade in vitro para avaliar a viabilidade celular e imobilização da GOD.

Figura 2: Esquema ilustrativo da imobilização da GOD utilizando Fe3O4/SiO2

Figure 2: Illustrative scheme of GOD immobilization using Fe3O4/SiO2

EXPERIMENTAL

Os reagentes utilizados neste estudo foram nitrato de ferro [Fe(NO3)3.9H2O, Neon], ureia [CO(NH2)2, Neon], 3-aminopropiltrimetoxissilano [H2N(CH2)3Si(OCH3)3, Sigma-Aldrich], álcool etílico (C2H6O, Vetec), tolueno anidro [C6H5C(O)OH, Vetec], quitosana (C12H24N2O9, Sigma-Aldrich), ácido acético (C2H4O2, Vetec), glicose oxidase (Sigma-Aldrich) e reagente Bradford (Sigma-Aldrich), todos os reagentes com grau de pureza entre 98 e 99%. O processo de síntese por reação de combustão envolveu uma mistura de íons metálicos, como reagentes oxidantes (nitrato) 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 de acordo com os conceitos da química dos propelentes e explosivos 37. Para a síntese utilizou-se um recipiente de aço inoxidável com capacidade de produção de 10 g de produto/batelada acoplado a um reator cônico38. Com o aquecimento ocorreu um aumento da viscosidade, formando bolhas e dando início à volatilização de gases e posteriormente a ignição, seguida da combustão. As NPMs foram desaglomeradas em um almofariz e peneiradas em peneira de 325 mesh (ABNT 44 μm).

Para a silanização, em um balão de 100 mL foram adicionados 5 g das NPMs sintetizadas, previamente seca a 110 °C, com 5 mL de APTMS (3-aminopropiltrimetoxissilano) e 50 mL de tolueno; o balão foi colocado sobre uma manta a 100 °C e acoplado a um condensador durante 72 h. Em seguida, a solução foi transferida para tubos de vidro e centrifugada em uma centrífuga (Baby, Fanem) por 5 min a uma velocidade de 500 rpm. Esta etapa foi repetida 8 vezes sempre lavando o produto sedimentado com álcool etílico. Depois das lavagens, as NPMs silanizadas (NPMs@SiO2) foram secas por 24 h a 150 °C em estufa (mod. 315, Fanem). As ferritas foram silanizadas com APTMS, baseada na metodologia descrita em39, com modificações. Para a funcionalização com quitosana, 5 g das NPMs@SiO2 foram adicionados a uma solução de ácido acético (1% v/v) e 1 g de quitosana sob agitação constante por 2 h. Depois a solução foi levada à centrifuga e seca em estufa por 24 h a 60 °C para completa evaporação do solvente.

As amostras foram caracterizadas estrutural e morfologicamente por: difração de raios X em um difratômetro da Shimadzu (XRD 6000) com radiação CuKα; espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier em um espectrômetro (400 FT-IR/FT-NIR, Perkin Elmer); análise termogravimétrica em atmosfera de nitrogênio com cadinho de alumina, fluxo de 50 mL.min-1 e taxa de aquecimento 10 °C.min-1, na faixa de temperatura ambiente até 1000 °C. Os aspectos morfológicos foram analisados por meio de um microscópio eletrônico de varredura (SuperScan SS500, Shimadzu) e de transmissão (EM420, Philips). O comportamento magnético foi avaliado por meio dos ciclos de histerese magnética obtidos em um magnetômetro de gradiente alternado.

Para os ensaios de citotoxidade in vitro foram utilizadas células do ovário de hamster chinês (CHO-K1) na linha celular. Polietileno de alta densidade (PEAD) como controle negativo (CN) e látex como controle positivo (CP) foram utilizados como substâncias de referência para a preparação de extratos com concentração de 200 mg/mL. As células ficaram expostas por 24 h. As amostras foram consideradas citotóxicas quando a viabilidade celular foi inferior a 70% (VC<70%). Para o teste de imobilização de GOD, 3,0 mg de cada amostra foram adicionados a um volume de 2 mL da solução de GOD de concentração 0,05 mg.mL-1 preparada em uma solução tampão fosfato-salino (PBS, 0,01 M, pH=7,0) e colocadas em uma incubadora shaker (SL-233, Solab) a 150 rpm, 4 °C por 4 h. A quantidade de GOD imobilizada foi analisada pelo método de Bradford40 e calculada segundo:

(A)

onde, q é a quantidade de GOD imobilizada pelas nanopartículas (mg de GOD/mg de NPMs), v é o volume da amostra (mL), Ci concentração de GOD inicial (mg/mL), Cf concentração de GOD após as 4 h (mg/mL) e mads é a massa de nanopartículas utilizadas (mg). A eficiência de imobilização (EI) foi calculada por meio de:

(B)

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Fig. 3 ilustra os difratogramas de raios X das nanopartículas sintetizadas (NPMs), modificadas superficialmente com o APTMS (NPMs@SiO2) e funcionalizadas com quitosana (NPMs@SiO2/Q). Pode-se observar na Fig. 3C a formação de 78% de fase antiferromagnética da hematita (α-Fe2O3), que tem estrutura hexagonal formada apenas por íons de Fe3+ (Fe2 3+O3), identificada de acordo com o arquivo JCPDS 33-0664, e presença de 22% de fase magnética magnetita (Fe3O4), que é um óxido de ferro com estrutura tipo espinélio inverso (Fe2+Fe2 3+O4), identificada de acordo com o arquivo JCPDS 79-0419. Isso indicou a formação dos nanocompósitos magnéticos. A formação do nanocompósito Fe2O3/Fe3O4 só foi possível pelo fato que, durante a síntese por reação de combustão usando como fonte de cátions metálicos apenas o nitrato de ferro III, parte dos íons de Fe3+ se reduziu a Fe2+ devido ao próprio gás de combustão gerado durante a síntese ter agido como atmosfera redutora, favorecendo a formação da magnetita41. Esse mesmo comportamento foi reportado em42, quando foi sintetizada magnetita por reação de combustão em um reator de micro-ondas sob atmosfera inerte de N2, usando acetato de ferro II e nitrato de ferro II como fonte de cátions metálicos.

Figura 3: Difratogramas de raios X para: (A) padrão de Fe2O3, (B) padrão de Fe3O4, (C) NPMs, (D) NPMs@SiO2 e (E) NPMs@SiO2/Q. 

Figure 3: X-ray diffraction patterns for: (A) standard Fe2O3, (B) standard Fe3O4, (C) NPMs, (D) NPMs@ SiO2, and (E) NPMs@SiO2/Q. 

Mediante as Figs. 3D e 3E, verificou-se que a silanização e a funcionalização não alteraram a característica estrutural dos nanocompósitos, apenas se observou na Fig. 3E a formação de uma banda discreta em torno de 22º, característico do pico principal da quitosana. Todos os picos apresentaram-se com elevada intensidade e elevada largura basal, indicando a formação de material cristalino formado por nanopartículas. Esta mesma formação foi obtida em43, quando foi sintetizada uma mistura de magnetita e hematita pelas seguintes rotas: copreciptação com atmosfera ambiente e N2; e combustão em micro-ondas com diferentes precursores (citratos-nitratos, glicina-nitratos). O tamanho do cristalito das amostras, calculado usando a equação de Scherrer44, foi 40, 45 e 43 nm para as amostras NPMs, NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q, respectivamente. Estes resultados corroboraram os encontrados em43), (45. Analisando os resultados, pôde-se observar um leve aumento do tamanho do cristalito quando foi acrescentado o APTMS às NPMs, devido ao fato do APTMS ser um material amorfo. Fato que também ocorreu quando foi acrescentada a quitosana na NPMs, porém, como a quitosana apresenta um perfil semicristalino46), (47, o aumento foi menor do que o apresentado com a presença somente do APTMS. Quando se comparou as NPMs@SiO2 e as NPMs@SiO2/Q, notou-se uma leve diminuição do tamanho do cristalito; isto ocorreu provavelmente devido à carga superficial das moléculas de quitosana que ficaram aderidas à superfície das NPMs@SiO2. Segundo48, a carga superficial das moléculas de quitosana aderidas à superfície das NPMs reduz o tamanho do cristalito.

Na Fig. 4 encontram-se os espectros de FTIR. Por meio do espectro da Fig. 4A, foi observada uma banda na faixa de aproximadamente 3660 cm-1 característico de ligação O-H-O, provenientes da presença de água na amostra, a qual pode ter sido proveniente de adsorção superficial pela umidade do ar atmosférico e também devido ao KBr utilizado para a preparação da mesma, o qual é higroscópico, ter grande facilidade de absorver umidade. Em 1380 cm-1 observou-se uma banda de estiramento simétrico de NO2 proveniente possivelmente de nitratos que não reagiram durante a combustão. A hematita é caracterizada pela banda na região de 510 cm-1 relativa à ligação Fe-O. Pode-se observar na Fig. 4B bandas de estiramento na região de 2914 cm-1 atribuídas a ν(C-H) alifáticos tipo sp3. Em 1635 cm-1 observou-se uma banda de estiramento referente a C=O, que indicou possivelmente a coordenação com metais. As bandas múltiplas em torno de 1124 e 1033 cm-1 corresponderam ao estiramento assimétrico νass(Si-O-). Observou-se ainda bandas abaixo de 1000 cm-1 que foram característicos do espinélio. A presença destas bandas confirmou a efetividade do processo de silanização. Na Fig. 4C observam-se de 3450 a 3200 cm-1 absorções fracas atribuídas a ligações N-H de aminas primárias. Bandas de estiramento na região de 2919 e 2773 cm-1 foram ocasionadas por vibrações de estiramento do grupo C-H assimétrico e simétrico, respectivamente, dos grupos de metila pertencente aos radicais da quitosana. As bandas a 1740 e 1554 cm-1 foram relacionadas ao modo de vibração por estiramento da ligação C=O e à deformação da ligação N-H, respectivamente. Na faixa de 1456 e 1364 cm-1 ocorreu uma absorção que pode ser atribuída à deformação simétrica de C-H. Em 1254 cm-1 observou-se uma banda referente ao estiramento Si-CH3 e em 1177 cm-1 uma banda atribuída ao estiramento assimétrico Si-O-Si. Em 600 e 508 cm-1 observaram-se bandas referentes às vibrações nos sítios tetraédricos e octaédricos na estrutura do espinélio. O APTMS foi caracterizado pelas bandas múltiplas em torno de 1116 e 1023 cm-1 correspondendo ao estiramento assimétrico ν ass (Si-O), e bandas N-H em 1632 a 1464 cm-1(11), (49. A quitosana foi caracterizada pelas bandas de estiramento na região de 2926 e 2871 cm-1, que foram ocasionadas por vibrações de estiramento do grupo C-H assimétrico e simétrico, respectivamente, dos grupos de metila, uma banda em 1644 cm-1 de grupamentos C=O e uma em 1577 cm-1 correspondente à deformação angular assimétrica de N-H (-NH3 +). Essas bandas características da quitosana foram observadas em25), (50. Os resultados de FTIR revelaram que a silanização e a funcionalização na superfície da hematita ocorreu com sucesso já que foram observadas as bandas características do agente silano e da quitosana.

Figura 4: Espectros na região do infravermelho de: (A) NPMs, (B) NPMs@SiO2 e (C) NPMs@SiO2/Q. 

Figure 4: FTIR spectra of: (A) NPMs, (B) NPMs@SiO2, and (C) NPMs@SiO2/Q. 

A Fig. 5 ilustra a morfologia dos nanocompósitos. Pôde-se observar que as NPMs foram caracterizadas por aglomerados grandes de partículas, com formatos de blocos irregulares e tamanhos variados (maiores e menores que 10 μm). Os aglomerados possuíram um aspecto rígido, indicativo de materiais formados por nanopartículas ligados por forças fortes. Observou-se ainda porosidade interaglomerado, o que provavelmente foi relacionada à liberação de gases durante a síntese de combustão. Para as amostras silanizadas não foram observadas mudanças significativas na morfologia, apenas aglomerados aparentemente com aspecto mais rígido e baixa porosidade, possivelmente devido à ligação covalente do silano com a superfície das NPMs, o que possivelmente tem relação com a presença do agente silano (orgânico) que fez um efeito selador na superfície e porosidade interna dos aglomerados. Este mesmo comportamento foi relatado em51, quando foram sintetizadas e estudadas nanopartículas de NiFe2O4 revestidas com SiO2. Para a amostra após funcionalização com quitosana (Fig. 5C), verificou-se que as NPMs@SiO2 se encontraram encapsuladas pela quitosana. Este mesmo fenômeno também foi observado em52, quando foram estudadas nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético (SPIONPs) encapsuladas com quitosana para uso como agente de contraste para IRM (imagem por ressonância magnética), e foi observada dispersibilidade na morfologia das nanopartículas após adição da quitosana, característica desejável para o seu uso em aplicações biomédicas.

Figura 5: Micrografias obtida por microscopia eletrônica de varredura de: (A) NPMs, (B) NPMs@SiO2 e (C) NPMs@SiO2/Q. 

Figure 5: SEM micrograhs of: (A) NPMs, (B) NPMs@SiO2, and (C) NPMs@SiO2/Q. 

Nas imagens de microscópio eletrônico de transmissão (MET) apresentadas nas Figs. 6A, 6C e 6E, de forma geral, podem-se observar partículas com tamanho menor que 50 nm, porém aglomeradas. Observou-se que após silanização e funcionalização as nanopartículas ficaram envolvidas pelo APTMS e pela quitosana, devido à interação entre os radicais livres e as nanopartículas. Desta forma o contato interpartícula diminuiu devido à redução da energia superficial. Nos padrões de difração de elétrons da hematita, Figs. 6B, 6D e 6F, observam-se anéis concêntricos bem definidos que corresponderam às famílias de planos {hkl} pertencentes à fase da hematita, comprovando a presença do material cristalino. Com a adição do APTMS e da quitosana, observou-se que estes anéis se tornam menos definidos, indicando a presença de materiais não cristalinos. Comparando os resultados de MET deste trabalho para a amostra Fe3O4/SiO2 com os resultados reportados em22, notou-se claramente que na referência citada também foi observado o mesmo efeito de aglomeração das partículas de Fe3O4, o que elevou o tamanho da mesma após a silanização.

Figura 6: Micrografias obtida por microscopia eletrônica de transmissão e padrão de difração de elétrons de: (A, B) NPMs, (C, D) NPMs@SiO2 e (E, F) NPMs@SiO2/Q. 

Figure 6: TEM micrographs and SAED of: (A, B) NPMs, (C, D) NPMs@SiO2, and (E, F) NPMs@SiO2/Q. 

As análises termogravimétricas das amostras estudadas são apresentadas na Fig. 7. Analisando a amostra NPMs, observou-se uma pequena perda de massa total em torno de 3% correspondente à perda de água livre adsorvida na superfície das nanopartículas, prováveis transformações dos hidróxidos em ferrita e/ou perda de água estrutural. Analisando a influência do APTMS, observou-se que a amostra apresentou dois eventos principais: i) o primeiro entre 40 e 165 °C, correspondente à perda de água livre adsorvida na superfície das nanopartículas; e ii) entre 189 e 500 °C, atribuído à perda dos grupos funcionais C-H, C=O, CH2 e CH3 da cadeia carbônica do agente silano (APTMS) e à decomposição residual dos demais componentes do recobrimento orgânico (Si-O e N-O). Tais eventos são reportados em53. A perda de massa total foi cerca de 20%, evidenciando o efeito de que o processo de silanização aumentou a perda de massa, o que já era esperado uma vez que as nanopartículas foram recobertas por um material organometálico (APTMS). A amostra NPMs@SiO2/Q apresentou três etapas de perda de massa: a primeira relacionada à perda de água adsorvida e ao teor de umidade no polissacarídeo, na faixa de 25 a 100 °C; a segunda associada à degradação da quitosana, na faixa de 100 a 500 °C; e a terceira relacionada à degradação térmica dos carbonos residuais da fase orgânica e de resíduos das nanopartículas inorgânicas, na faixa de 500 a 800 °C, alcançando perda de massa total de 48%. Verificou-se que as amostras NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q também se comportaram como um material estável termicamente na faixa de temperatura estudada, indicativo que as interações do silano com as nanopartículas foram ligações fortes, o que manteve a estabilidade do material mesmo em temperaturas elevadas.

Figura 7: Curvas termogravimétricas para NPMs, NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q. 

Figure 7: TG curves of the NPMs, NPMs@SiO2 and NPMs@SiO2/Q. 

O comportamento magnético medido por meio das curvas de histerese é apresentado na Fig. 8. As curvas de histerese de NPMs, NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q, de forma geral, apresentaram o ciclo M x H (magnetização x campo magnético) estreito, sendo portanto característico de material magnético mole. Estudos recentes mostram que o comportamento magnético das nanoestruturas de hematita é fortemente dependente de sua forma e estrutura54. Na Tabela I encontram-se os parâmetros magnéticos Ms (magnetização de saturação), Mr (magnetização remanente), Hc (campo coercivo), relação Ms/Mr e área (perda por histerese). De acordo com o apresentado, os pós obtidos possuíram características ferrimagnéticas, pois não apresentaram Mr=0 e foram de acordo com o reportado em1. Após a funcionalização houve redução na magnetização de saturação, em torno de 43% da hematita pura, indicativo da presença da quitosana, o qual por não ser magnético criou uma barreira para o alinhamento dos spins no interior do domínio magnético. Comportamento semelhante foi encontrado também em 48. Porém, de forma geral, observou-se que mesmo com a quitosana a hematita continuou sendo atraída pelo campo magnético. Esta mesma tendência se manteve para os resultados obtidos para a magnetização remanente, onde foi observado praticamente o mesmo valor para as amostras NPMs e NPMs@SiO2 e redução de 57% para NPMs@SiO2/Q. O campo coercivo, Hc, para a hematita antes e após silanização e funcionalizada com quitosana se manteve constante. Assim, a partir desses resultados, observou-se que a modificação da superfície manteve as características magnéticas, ou seja, a hematita continuou sendo atraída pelo campo magnético fortemente.

Figura 8: Curvas de histerese magnéticas para as NPMs, NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q (a) e ampliação das curvas de histerese (b). 

Figure 8: Magnetic hysteresis curves of the NPMs, NPMs@SiO2 and NPMs@SiO2/Q (a), and expansion of hysteresis curves (b). 

Tabela I Parâmetros de histerese para as as amostras NPMs, NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q. 

Table I Hysteresis parameters for the samples NPMs, NPMs@SiO2 and NPMs@SiO2/Q. 

Amostra Ms (emu.g-1) Mr (emu.g-1) Hc (kOe) Ms/Mr Área (emu.g-1.kOe)
NPMs 19,1 4,2 0,2 0,219 338,64
NPMs@SiO2 22,6 4,4 0,2 0,207 401,48
NPMs@SiO2/Q 8,20 1,7 0,2 0,217 145,07

Os dados apresentados na Tabela II são relacionados à citotoxidade, que mostraram que as amostras-teste (NPMs, NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q) foram classificadas como não citotóxica, pois apresentaram viabilidade celular acima de 70%, sendo um pouco maior para as amostras NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q, fato esperado já que tanto o APTMS quanto a quitosana não são consideradas tóxicas15), (25. Este comportamento foi semelhante ao de amostras de hematita expostas por 24 h a células Hek 293 em níveis de dosagem de 100 até 500 µg/mL55.

Tabela II Resultados para citotoxidade das amostras estudadas. 

Table II Results for cytotoxicity of the samples. 

CN CP NPMs NPMs@SiO2 NPMs@SiO2/Q
VC (%) 107,6 1,8 118,4 120,4 120,4
σ (%) 19,1 1,4 4,9 1,4 4,1

Notas: CN - controle negativo; CP - controle positivo; VC - viabilidade celular; s - desvio-padrão.

A quantidade de GOD (glicose oxidase) imobilizada e a eficiência de imobilização das amostras NPMs, NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q estão apresentadas na Tabela III. Pôde-se notar, de forma geral, que os dados foram reprodutivos com desvios-padrão relativamente baixos em relação à média. Com relação à eficiência de imobilização (EI), observou-se que a imobilização da GOD realizada pelo híbrido foi maior que a amostra pura, em média 49% e 66% para NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q, respectivamente. Desta forma, verificou-se que a imobilização da GOD pelos híbridos NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q foi mais eficiente do que as NPMs. Estes resultados foram relacionados ao tipo de mecanismo que ocorreu na imobilização, ou seja, para a hematita pura o mecanismo foi por adsorção física da GOD na superfície das nanopartículas, de forma a minimizar a tensão superficial existente. Porém, este mecanismo resulta em uma ligação fraca o que facilmente faz com que a GOD se desprenda da superfície. No caso dos híbridos, o mecanismo ocorreu por ligação covalente entre a GOD e os híbridos. Para NPMs@SiO2, a ligação foi formada nos grupos NH2 do APTMS8; já para o NPMs@SiO2/Q, as hidroxilas e as aminas presentes na quitosana formaram ligações com os grupos silanois (-Si-OH) do APTMS56 e assim com a GOD.

Tabela III Resultados do teste de imobilização de GOD para as amostras NPMs, NPMs@SiO2 e NPMs@SiO2/Q. 

Table III Results for the GOD immobilization test for NPMs, NPMs@SiO2 and NPMs@SiO2/Q samples. 

Amostra mads (mg) Cf (mg/mL) q (mg GOD/mg NPMs) Média σ EI (%)
NPMs 3,30 0,0238 0,0149 0,0157 0,0007 50,76
3,50 0,0202 0,0161 58,19
3,10 0,0232 0,0162 52,03
NPMs@SiO2 3,30 0,0101 0,0232 0,0237 0,0004 79,21
3,00 0,0127 0,0238 73,77
3,50 0,0064 0,0240 86,70
NPMs@SiO2/Q 3,20 0,0044 0,0275 0,0273 0,0013 90,98
3,00 0,0058 0,0284 88,09
3,30 0,0056 0,0259 88,45

Notas: mads - massa de nanopartículas utilizadas; Cf - concentração de GOD após as 4 h; q - quantidade de GOD imobilizada pelas nanopartículas; s - desvio-padrão; EI - eficiência de imobilização.

Os resultados de quantidade média de GOD imobilizada por cada 1 mg de nanopartículas nas três amostras estudadas mostraram significativo aumento à medida que se modificou a superfície das nanopartículas com o APTMS e a quitosana (Tabela III). Tais resultados corroboraram os resultados encontrados em20, quando foi estudada a imobilização da GOD utilizando Fe3O4 silanizada com TEOS e APTMS+glutaraldeído (GA) em que foram obtidos 0,13 mg de GOD imobilizada por cada 1 mg de nanopartículas ativadas, o que refletiria uma eficiência de 90% de imobilização das nanopartículas ativadas, sendo a imobilização realizada por ligação cruzada (cross-linking) entre a GOD e o GA. No estudo34, a imobilização de GOD usando óxido de grafeno alcançou eficiência de 75%, por meio de ligação covalente. Comparando os resultados de imobilização da GOD deste trabalho com os encontrados na literatura, observou-se a concordância do fenômeno de maior imobilização da GOD nos compósitos, uma vez que a presença do recobrimento da sílica proveniente do agente silano e/ou da quitosana realizou ligação covalente com a enzima deixando-a fixada na superfície das nanopartículas. Por outro lado, a imobilização da GOD na superfície do Fe3O4 se deu por adsorção física, que é uma ligação fraca promovendo fácil remoção da GOD.

CONCLUSÕES

O compósito de Fe2O3/Fe3O4 sintentizado por reação de combustão apresentou como fase majoritária a hematita (78%), com 22% de magnetita, e características nanométricas (40 nm). A modificação da superfície ocorreu de forma satisfatória, comprovada pela presença das bandas características do silano e da quitosana na análise de FTIR. As amostras mostraram comportamento ferrimagnético, e a presença do silano e da quitosana reduziu o valor de magnetização de saturação para cerca de 43% da hematita pura, porém manteve a característica ferrimagnética. A análise de citotoxidade mostrou que o compósito de Fe2O3/Fe3O4 antes e após modificação não foi considerado tóxico tendo sua viabilidade celular aumentada com a presença do silano e quitosana. Logo, é um material com possibilidade de uso na biomediciana. Os testes preliminares para imobilização da GOD mostraram que a modificação na superfície aumentou o poder de prender a enzima na nanopartícula, o que é necessário para a fabricação de biossensores para os diabéticos.

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Received: April 01, 2016; Revised: October 31, 2016; Accepted: October 31, 2016

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