NANOTUBOS DE TITANATO E SUAS MULTIFUNCIONALIDADES: estudo de propriedades magnéticas e aplicações biológicas

Abstract

RESUMO A nanotecnologia aliada no desenvolvimento de nanomateriais surge como uma ciência que tem potencial em diferentes tipos de aplicações, havendo um foco de interesse na área de ciências dos materiais e biomédica. Assim, surge a necessidade por diferentes classes de materiais com o objetivo de melhorar propriedades físicas, químicas e biológicas permeando a nanoescala. Neste trabalho, nano-heteroestruturas com propriedades magnéticas. Utilizou-se como suporte nanoestruturado: nanotubos de titanato decorados com nanopartículas de anatásio sintetizados pelo método hidrotérmico assistido por microondas, os nanotubos de titanato foram submetidos a modificações químicas envolvendo reação de troca iônica, os íons de Na+, presentes nos nanotubos como preparados, foram trocados por íons de Fe3+ ocorrendo a decoração com nanopartículas com propriedades magnéticas na superfície externa e entre as camadas dos nanotubos. Os resultados mostraram que a substituição dos íons de Na+ pelos íons de Fe3+, resultou em um aumento na distância interlamelar dos TiNTs. As caracterizações por difração de raios-X e espectroscopia Mössbauer confirmaram a formação de fases de ferro, β-FeOOH e α-Fe2O3, após a substituição de Fe3+. Adicionalmente, MET-V e MET-AR revelaram uma nano-heteroestrutura complexa com abundantes nanopartículas de β-FeOOH ≈ 5 nm nos espaços intercamadas, bem como nanopartículas de α-Fe2O3 ≈ 10 nm nas paredes externas do Fe-TiNT@AnNP. As curvas magnéticas revelaram uma contribuição ferromagnética em combinação com um componente paramagnético para as duas amostras. A substituição iônica nos nanotubos de titanato com íons de ferro levou a formação de uma nano-heteroestrutura complexa, apresentando alterações nas propriedades ópticas e magnéticas. Estes resultados, indicam que as duas nanoestruturas investigadas possuem propriedades magnéticas e podem vislumbrar aplicações em diferentes áreas: ambiental (tratamento de efluentes têxteis) e biomedicina (sistema de imagiológia). Relatamos também neste trabalho a síntese de nanocompósitos híbridos de nHAp/TiNTs em diferentes concentrações, (1%, 2%, 3% e 10% em massa de TiNT) por meio da precipitação aquosa úmida. Observamos, por difração de raios-X, espectroscopia Raman e FTIR, picos característicos dos grupos de fosfato e carbonato das amostras sintetizadas. Além disso, o refinamento de Rietveld confirmou a estrutura da HAp, a adição de TiNT afeta a morfologia dos nanocompósitos, diminuindo o tamanho médio do cristalito de 54 nm (HAp) para 34 nm (HAp/TiNT10%), confirmando sua incorporação. Os índices de cristalinidade calculados através do espectro Raman, banda ≈ 961 cm-1 (fosfato) e das intensidades dos planos (112) e (300) pelos difratogramas de raios-X mostraram que os valores decrescem de acordo com o aumento das concentrações dos TiNTs, o que confirma a sua adição a estrutura. Imagens de microscopia eletrônica de varredura mostraram a presença de TiNT. Considerando a importância de um material biocompatível, verificamos a atividade citotóxica em uma linhagem de fibroblastos (L929) em diferentes concentrações 300 µg/mL a 0, 58 µg/mL, revelando que não houve morte celular notável em nenhuma das concentrações utilizadas. A atividade regenerativa in vivo foi realizada usando modelos animais ooforectomizados organizados em 7 grupos contendo 5 animais cada, ocorrendo regeneração tecidual em todos os grupos testados. A reparação óssea foi estatisticamente maior no grupo HAp/TiNT10% (p<0,0100) em comparação ao grupo controle (sem qualquer tratamento), no período experimental de 30 dias Assim, os nanomateriais são promissores para a medicina regenerativa do tecido ósseo.

ABSTRACT Nanotechnology allied in the development of nanomaterials emerges as a science that has potential in different types of applications, with a focus of interest in the area of materials science and biomedical. Thus, the need for different classes of materials arises in order to improve physical, chemical and biological properties permeating the nanoscale. In this work, nano-heterostructures with magnetic properties. It was used as nanostructured support: Titanate nanotubes decorated with anatase nanoparticles synthesized by the hydrothermal method assisted by microwave, the titanate nanotubes were subjected to chemical modifications involving ion exchange reaction, Na+ ions, present in the nanotubes as prepared, were exchanged for Fe3+ ions occurring the decoration with nanoparticles with magnetic properties on the outer surface and between the layers of the nanotubes. The results showed that the substitution of Na+ ions by Fe3+ ions resulted in an increase in the interlamelar distance of TiNTs. Characterizations by X-ray diffraction and Mössbauer spectroscopy confirmed the formation of iron phases, β-FeOOH and α-Fe2O3, after Fe3+ substitution. Additionally, MET-V and MET-AR revealed a complex nano-heterostructure with abundant nanoparticles of β-FeOOH 5 nm in the interlayer spaces, as well as nanoparticles of α-Fe2O3 10 nm on the outer walls of Fe-TiNT@AnNP. The magnetic curves revealed a ferromagnetic contribution in combination with a paramagnetic component for the two samples. The ion substitution in Titanate nanotubes with iron ions led to the formation of a complex nano-heterostructure, presenting changes in optical and magnetic properties. These results indicate that the two investigated nanostructures have magnetic properties and can envision applications in different areas: environmental (treatment of textile effluents) and biomedicine (imaging system). We also report in this work the synthesis of hybrid nanocomposites of nHAp/TiNTs at different concentrations (1%, 2%, 3% and 10% by mass of TiNT) by means of wet aqueous precipitation. We observed, by X-ray diffraction, Raman and FTIR spectroscopy, peaks characteristic of the phosphate and carbonate groups of the synthesized samples. In addition, the Rietveld refinement confirmed the structure of HAp, the addition of TiNT affects the morphology of the nanocomposites, reducing the average size of the crystallite from 54 nm (HAp) to 34 nm (HAp/ TiNT10%), confirming its incorporation. The crystallinity indexes calculated through the Raman spectrum, band 961 cm-1 (phosphate) and intensities of the planes (112) and (300) by the X-ray diffractograms showed that the values decrease according to the increase of TiNTs concentrations, which confirms its addition to structure. Scanning electron microscopy images showed the presence of TiNT. Considering the importance of a biocompatible material, we verified the cytotoxic activity in a fibroblast cell line (L929) at different concentrations 300 µg/mL to 0, 58 µg/mL, revealing that there was no noticeable cell death in any of the concentrations used. In vivo regenerative activity was performed using animal models oophorectomized organized into 7 groups containing 5 animals each, occurring tissue regeneration in all groups tested. Bone repair was statistically higher in the HAp/TiNT10% group (p<0.0100) compared to the control group (without any treatment), in the experimental period of 30 days.