Produção Verde de Nanopartículas de Cobre: Potenciais Catalítico, Antibacteriano, Citotóxico e Antioxidante

Resumo

Nanopartículas de cobre (CuNPs) são de grande interesse devido às suas propriedades extraordinárias como alta razão superfície-volume, alta resistência ao escoamento, ductilidade, dureza, flexibilidade e rigidez. CuNPs mostram atividades catalítica, antibacteriana, antioxidante e antifúngica junto com propriedades citotóxicas e anticancerígenas em muitas aplicações diferentes. Muitos métodos físicos e químicos têm sido usados para sintetizar nanopartículas incluindo ablação a laser, processo assistido por microondas, sol-gel, co-precipitação, descarga de fio pulsado, deposição de vapor em vácuo, irradiação de alta energia, litografia, moagem mecânica, redução fotoquímica, eletroquímica, síntese por electrospray, reação hidrotérmica, microemulsão e redução química. Fitossíntese de nanopartículas foi sugerida como alternativa valiosa a métodos físicos e químicos devido a baixa citotoxicidade, perspectivas econômicas, eco-amigável, biocompatibilidade aprimorada e altas atividades antioxidante e antimicrobiana. A revisão explica técnicas de caracterização, seu papel principal, limitações e sensibilidade usadas na preparação de CuNPs. Uma visão geral de técnicas usadas na síntese de CuNPs, procedimento de síntese, parâmetros de reação que afetam propriedades de CuNPs sintetizadas, e análise de triagem usada para identificar fitoquímicos em diferentes plantas é apresentada da literatura recente publicada que foi revisada e resumida. Mecanismos hipotéticos de redução do íon cobre por quercetina, estabilização de nanopartículas de cobre por santina, atividade antimicrobiana e redução de 4-nitrofenol com ilustrações diagramáticas são dados. O principal propósito desta revisão foi resumir dados de plantas usadas para síntese de CuNPs e abrir novo caminho para pesquisadores investigarem aquelas plantas que não foram usadas no passado.

Contexto

Nanopartículas (NPs) têm número de aplicações interessantes no campo industrial como tecnologia espacial, magnetismo, optoeletrônica e eletrônica, cosméticos, e aplicações catalíticas, farmacêuticas, biomédicas, ambientais e energéticas. Propriedades extraordinárias de NPs como ductilidade, alta resistência ao escoamento, dureza, flexibilidade, rigidez, alta razão superfície-volume, efeito de tunelamento macroquântico e tamanho quântico são atribuíveis comparadas a propriedades de materiais de volume com mesma composição química. De fato, propriedades de NPs, que podem diferir consideravelmente das observadas para partículas finas, são maior área de superfície específica, propriedades ópticas específicas, pontos de fusão mais baixos, magnetizações específicas, resistência mecânica e numerosas aplicações industriais. Nanopartículas de cobre (CuNPs) são de grande interesse devido à fácil disponibilidade, baixo custo e suas propriedades similares às de metais nobres. CuNPs também podem ser usadas em sensores, sistemas de transferência de calor e eletrônica (célula de combustível e célula solar), como catalisadores em muitas reações e como agentes bactericidas e antimicrobianos usados para revestir equipamentos hospitalares.

Muitos métodos físicos e químicos incluindo ablação a laser, processo assistido por microondas, sol-gel, co-precipitação, descarga de fio pulsado, deposição de vapor em vácuo, irradiação de alta energia, litografia, moagem mecânica, redução fotoquímica, eletroquímica, síntese por electrospray, reação hidrotérmica, microemulsão e redução química são usados para sintetizar nanopartículas. Embora métodos físicos e químicos produzam nanopartículas bem definidas e puras, estes métodos não são nem custo-efetivos nem eco-amigáveis devido ao uso de químicos tóxicos. Um dos critérios mais importantes da nanotecnologia é desenvolvimento de procedimentos de química verde eco-amigáveis, não tóxicos e limpos. Portanto, biossíntese de nanopartículas contém método baseado em química verde que emprega diferentes corpos biológicos como plantas, actinomicetos, fungos, bactérias, leveduras e vírus. Entidades biológicas oferecem abordagem não tóxica, limpa e eco-amigável para sintetizar NPs com ampla gama de tamanho, propriedades físico-químicas, formas e composições.

Nanopartículas de cobre foram sintetizadas e estabilizadas na literatura usando diferentes plantas como Euphorbia esula, Punica granatum, Ocimum sanctum, Ginkgo biloba, Calotropis procera, Lawsonia inermis, Citrus medicalinn, Camellia sinensis, Datura innoxia, Syzygium aromaticum, Sesamum indicum, Citrus limon, Curcuma longa, Gloriosa superba L., Ficus carica, Aegle marmelos, Caesalpinia pulcherrima, Cassia fistula, Leucas aspera, Leucas chinensis, Delonix elata, Aloe barbadensis Miller, Thymus vulgaris, Phyllanthus emblica, Magnolia kobus, Eucalyptus, Artabotrys odoratissimus, Capparis zeylanica, Vitis vinifera, Hibiscus rosa-sinensis, Zingiber officinale, Datura metel, Zea mays, Urtica, Matricaria chamomilla, Glycyrrhiza glabra, Schisandra chinensis, Inula helenium, Cinnamomum, Dodonaea viscosa, Cassia auriculata, Azadirachta indica, Lantana camara, Tridax procumbens, Allium sativum, Asparagus adscendens, Bacopa monnieri, Ocimum basilicum, Withania somnifera, Smithia sensitiva, Colocasia esculenta, Nerium oleander e Psidium guajava; usando diferentes algas/fungos como Phaeophyceae, Stereum hirsutum e Hypocrea lixii; e usando alguns microrganismos como culturas de Pseudomonas fluorescens e Enterococcus faecalis.

Biossíntese de Nanopartículas de Cobre

Partes da Planta Usadas para Extrato

Diferentes partes de plantas são usadas para preparação de extratos vegetais como folhas, sementes, cascas, frutos, cascas, fibra de coco, raízes e goma. Folhas e raízes são usadas de duas maneiras. Primeiro, folhas e raízes frescas são usadas para preparação de extratos vegetais, e segundo, folhas e raízes secas em forma de pó são usadas.

Procedimento para Síntese de CuNPs

Para síntese de CuNPs, extrato vegetal foi preparado usando diferentes partes de diferentes plantas. Para síntese do extrato da parte da planta de interesse, folhas são coletadas e lavadas com água da torneira e depois com água destilada para remover partículas de poeira. Folhas lavadas são usadas de duas formas. Primeiro, estas folhas são secas ao sol por 1–2 h para remover umidade residual. Pesos conhecidos destas folhas secas ao sol são divididos em pequenas partes e imersos em água deionizada ou solução de etanol. Esta mistura é agitada por 24 h à temperatura ambiente usando agitador magnético e então filtrada para uso posterior. Segundo, estas folhas são secas ao sol por 4–7 dias ou secas em estufa a 50 °C por 1 dia e pulverizadas usando liquidificador doméstico. Peso conhecido de pó vegetal é misturado em solução de água ou etanol e então agitado e filtrado.

Para síntese de CuNPs, solução aquosa de sais precursores como sulfato de cobre, cloreto de cobre, acetato de cobre e nitrato de cobre com diferentes concentrações é misturada com extrato vegetal. Solução aquosa de hidróxido de sódio também é preparada e adicionada à mistura de reação para controlar pH do meio. Mistura de reação é fortemente agitada por diferentes intervalos de tempo em agitador elétrico e aquecida em estufa em diferentes intervalos de tempo e temperaturas. Formação de CuNPs também pode ocorrer à temperatura ambiente e é confirmada pela mudança de cor da mistura de reação. No final, nanopartículas foram centrifugadas e secas em diferentes temperaturas. Otimizações de reação ocorrem mudando pH da mistura, concentração de sal precursor, tempo de aquecimento e temperatura da mistura de reação. Na literatura, diferentes plantas foram usadas para formação de nanopartículas de cobre usando diferentes sais precursores com diferentes condições de reação como mostrado na Tabela 1. Da tabela, pode-se ver que diferentes condições de reação afetam forma e tamanho de nanopartículas de cobre.

Efeito de Parâmetros de Reação nas Propriedades de NPs

Concentração de extrato vegetal desempenha papel principal na redução e estabilização de CuNPs. Relatou-se que aumentando concentração de extrato vegetal, número de partículas aumentou. Aumentando concentração de extrato vegetal, concentração de fitoquímicos aumentou e redução de sal de cobre também aumentou. Devido à redução rápida do sal metálico, tamanho das nanopartículas também diminuiu.

Tamanho e estrutura de CuNPs são altamente afetados pelo sal de cobre. Morfologia de nanopartículas muda quando sal (ex: cloreto de cobre, acetato de cobre, nitrato de cobre ou sulfato de cobre) é usado na presença de hidróxido de sódio. Relatou-se que forma foi triangular e tetraédrica no caso de cloreto de cobre, em forma de bastão no caso de acetato de cobre, e esférica no caso de sulfato de cobre. Aumentando concentração do sal precursor, tamanho de CuNPs também aumentou.

Síntese de CuNPs dá melhores resultados variando pH do meio de reação dentro da faixa preferida. Tamanho de nanopartículas foi controlado mudando valor de pH da mistura de reação. Em pH mais alto, nanopartículas de menor tamanho foram obtidas comparadas às obtidas em baixo valor de pH. Esta diferença pode ser atribuída à diferença na taxa de redução dos sais metálicos por extrato vegetal. Relação inversa entre valor de pH e tamanho de nanopartícula mostrou que aumento no valor de pH nos permite obter nanopartículas esféricas de menor tamanho enquanto diminuição no valor de pH dá nanopartículas de maior tamanho (em forma de bastão e triangulares). Efeito em espectros de absorção de diferentes valores de pH (4, 6, 8, 10 e 12) é representado na Fig. 1. Relatou-se que adição de extrato vegetal a CuCl₂ não levou à formação de CuNPs mas, em vez disso, CuNPs foram obtidos mudando pH da mistura de reação para meio básico. Mesmo comportamento observado por Wu e Chen, e concluiu-se que pH desempenha papel importante na síntese de CuNPs.

Mecanismo para Fitossíntese de Nanopartículas de Cobre

Triagem Fitoquímica: Análise Qualitativa

Análise de triagem fitoquímica é análise química realizada para detecção de fitoquímicos em diferentes plantas. Extrato vegetal fresco com químicos ou reagentes químicos é usado para esta análise como mostrado na Tabela 2.

Fitoquímicos para Redução de Metal e Estabilização de NPs

Síntese verde de CuNPs pelo uso de fitoquímicos oferece controle mais flexível sobre forma e tamanho das NPs (ou seja, mudando temperatura de reação, concentração de extrato vegetal, concentração de sal metálico, tempo de reação e pH da mistura de reação). Mudança de cor do meio de reação indica redução do íon metálico e formação de NPs. Redução verde dos sais de cobre começa instantaneamente, e formação de nanopartículas de cobre é indicada pela mudança de cor da mistura de reação. Fitoquímicos têm papel principal em primeiro reduzir íons metálicos e então estabilizar núcleos metálicos na forma de nanopartículas como mostrado na Fig. 2. Interação de fitoquímicos com íons metálicos e concentração destes fitoquímicos controlam forma e tamanho de CuNPs.

Flavonoides contêm compostos polifenólicos, ex: quercetina, catequinas, flavanonas, isoflavonas, santina, penduletina, alizarina, pinocembrina, antocianinas, flavonas, taninos e saponinas, presentes em diferentes plantas como Ginkgo biloba, Citrus medicalinn, Phyllanthus emblica, Hibiscus rosa-sinensis e Dodonaea viscosa. Estes compostos desempenham papel principal na redução e quelação do metal. Vários grupos funcionais presentes nos flavonoides são responsáveis pela redução do íon cobre. Assumiu-se que átomo de hidrogênio reativo nos flavonoides pode ser liberado durante alterações tautoméricas da forma enol para forma ceto que pode reduzir íons cobre para formar núcleos de cobre ou CuNPs. Por exemplo, assume-se que no caso de extratos de planta Ginkgo biloba, é a transformação de quercetina (flavonoide) que desempenha papel principal na redução de íons metálicos de cobre em núcleos de cobre ou CuNPs devido à mudança de forma enol para ceto como mostrado na Fig. 3.

Durante processo de síntese de CuNPs, íons metálicos com estados de oxidação monovalente ou divalente são convertidos em núcleos de cobre de oxidação zero e estes núcleos são fundidos para obter diferentes formas. Durante nucleação, núcleos agregam para formar diferentes formas como fios, esferas, cubos, bastões, triângulos, pentágonos e hexágonos. Alguns flavonoides têm capacidade de quelação de CuNPs com seus elétrons π e grupos carbonila. Quercetina e santina são flavonoides com forte atividade quelante devido à presença de dois grupos funcionais envolvendo hidroxilas e carbonilas. Estes grupos quelam com nanopartículas de cobre seguindo mecanismo prévio e também explicam capacidade de adsorção de santina (flavonoide) na superfície de CuNPs como mostrado na Fig. 4.

Assumiu-se que moléculas de proteína (superóxido dismutase, catalase, glutationa) em diferentes plantas como Hibiscus rosa-sinensis e Camellia sinensis exibem alta atividade redutora para formação de nanopartículas a partir de íons metálicos mas sua atividade quelante não é excessiva. Açúcares como monossacarídeos (glicose), dissacarídeos (maltose e lactose) e polissacarídeos em planta Camellia sinensis podem atuar como agentes redutores ou antioxidantes e têm série de transformações tautoméricas de cetona para aldeído.

Outros fitoquímicos como polifenóis (ex: ácido elágico e ácido gálico) presentes em Hibiscus rosa-sinensis, fenilpropanoides (fenilalanina, tirosina) em Aegle marmelos, terpenoides em Ocimum sanctum e Asparagus adscendens, proteases de cisteína em Calotropis procera, curcumina-anilina-azometina em Curcuma longa, ácido ascórbico em Citrus medicalinn, eugenol em Syzygium aromaticum e alcaloides em Aegle marmelos desempenham mesmo papel de reduzir íons cobre e estabilizar nanopartículas de cobre. Carboidratos, antraquinona, quinona e antocianósido em Phyllanthus emblica; ligninas e xantonas em Hibiscus rosa-sinensis; e glicosídeo cardíaco, triterpenoide, glicosídeo carotenóide e glicosídeo antraquinona em planta Colocasia esculenta também são fitoquímicos presentes em extratos de diferentes plantas e atuam como agentes redutores e estabilizadores. Exemplos de certos fitoquímicos com estruturas mostrados na Fig. 5.

Técnicas de Caracterização

Para caracterização de nanopartículas sintetizadas, diferentes técnicas foram usadas como espectroscopia ultravioleta-visível (UV-vis), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espalhamento de raios X de pequeno ângulo (SAXS), espectroscopia infravermelha com transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de fluorescência de raios X (XRF), difração de raios X (XRD), espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS), microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FESEM), análise de tamanho de partícula (PSA), Malvern Zetasizer (MZS), espectroscopia de raios X dispersiva em energia (EDX/EDS), análise de rastreamento de nanopartículas (NTA), reflectometria de raios X (XRR), análise Brunauer-Emmett-Teller (BET), difração de elétrons de área selecionada (SAED) e microscopia de força atômica (AFM) (Tabela 3).

Aplicações de Nanopartículas de Cobre

Devido às suas propriedades químicas e físicas excepcionais, grande razão superfície-volume, superfície constantemente renovável, baixo custo e preparação não tóxica, CuNPs têm sido de grande interesse para aplicações em diferentes campos. Nanopartículas de cobre mostram atividade catalítica, atividade antibacteriana, atividade citotóxica ou anticancerígena, atividade antioxidante e atividade antifúngica em diferentes aplicações. Em atividade catalítica, nanopartículas de cobre são usadas para cicloadição Huisgen [3+2] de alcinos e azidas em muitos solventes sob condições livres de ligante, 1-metil-3-fenoxi benzeno, 3,3-oxibis(metilbenzeno), síntese de 1-substituído 1H-1,2,3,4-tetrazol, adsorção de dióxido de nitrogênio e adsorção de dióxido de enxofre. Na maioria dos metais de transição catalisados, ligantes de acoplamento Ullmann, como fosfinas, são relatados na literatura e a maioria dos ligantes são caros, difíceis de preparar e sensíveis à umidade. Para este trabalho, nanopartículas de cobre sintetizadas são usadas para acoplamento Ullmann livre de ligante de éter difenil. Diferentes corantes e compostos orgânicos tóxicos e pesticidas presentes em resíduos industriais são muito prejudiciais para meio ambiente e organismos vivos. Nanopartículas de cobre são usadas para degradação de diferentes corantes como azul de metileno, degradação de atrazina e redução de 4-nitrofenol.

Entre agentes antimicrobianos, compostos de cobre têm sido comumente usados na agricultura como herbicidas, algicidas, fungicidas e pesticidas bem como na pecuária como desinfetante (mostrado na Tabela 4). Nanopartículas de cobre biogênicas mostraram poderosa atividade antibacteriana contra patógenos gram-positivos e gram-negativos como Pseudomonas aeruginosa (MTCC 424), Micrococcus luteus (MTCC 1809), Enterobacter aerogenes (MTCC 2832), Salmonella enterica (MTCC 1253), Rhizoctonia solani, Xanthomonas axonopodis pv. citri, Xanthomonas axonopodis pv. punicea, Escherichia coli (ATCC 14948), Staphylococcus aureus (ATCC 25923), Bacillus subtilis (ATCC 6633), Pediococcus acidilactici e Klebsiella pneumoniae (MTCC 4030). Em atividade antifúngica, nanopartículas de cobre são usadas contra Alternaria carthami, Colletotrichum gloeosporioides, Colletotrichum lindemuthianum, Drechslera sorghicola, Fusarium oxysporum f.sp. carthami, Rhizopus stolonifer, Fusarium oxysporum f.sp. ciceris, Macrophomina phaseolina, Fusarium oxysporum f.sp. udum, Rhizoctonia bataticola, Candida albicans, Curvularia, Aspergillus niger e Trichophyton simii. Em citotoxicidade, nanopartículas de cobre são usadas para estudo em linhas celulares HeLa, A549, MCF7, MOLT4 e BHK21 (tumores cancerígenos).

Mecanismo Hipotético de Atividade Antimicrobiana

Observou-se que CuNPs têm excelente atividade antimicrobiana e apenas relatórios limitados apresentaram mecanismo de atividade antibacteriana de nanopartículas de cobre na literatura, mas estes mecanismos eram hipotéticos. Observou-se que bactérias e enzimas/proteínas foram destruídas devido à interação de CuNPs com grupo –SH (sulfidrila). Também relatou-se que estrutura helicoidal de moléculas de DNA torna-se perturbada pela interação de CuNPs. Interação de CuNPs com membrana celular de bactérias diminuiu potencial eletroquímico transmembrana, e devido à diminuição no potencial eletroquímico transmembrana, afetou integridade da membrana. Assumiu-se que NPs metálicas liberam seus respectivos íons metálicos. Nanopartículas de cobre e íons cobre acumulam na superfície celular das bactérias e formam cavidades na membrana, causando vazamento de componente celular da célula e dentro da célula, causando estresse oxidativo que leva à morte celular. Mecanismo hipotético de atividade antibacteriana representando as possibilidades acima mostrado na Fig. 6.

Atividade Catalítica para Redução de 4-Nitrofenol

4-Nitrofenol (4-NP) que geralmente encontrado em águas residuais agrícolas e produtos industriais é perigoso e não eco-amigável. Hidrogenação ou redução de 4-NP, que é convertido em 4-aminofenol (4-AP), ocorre na presença de CuNPs. CuNPs podem catalisar reação para superar barreira cinética assistindo transferência de elétrons do íon doador borohidreto para aceptor 4-NP.

Atividade catalítica de CuNPs sintetizadas foi estudada na redução de 4-nitrofenol em meio aquoso à temperatura ambiente na presença de solução aquosa de borohidreto de sódio. Eficiência catalítica de CuNPs para redução de 4-NP foi examinada usando espectrômetro UV-vis. Observou-se que pico de absorção máximo para 4-NP em meio aquoso foi a 317 nm e pico de adsorção deslocou para 403 nm adicionando borohidreto de sódio devido à formação de íons 4-nitrofenolato. Pico a 403 nm permaneceu inalterado mesmo após 2 dias, indicando que redução de 4-NP não pode ocorrer na ausência de catalisador. Após adicionar CuNPs, pico de absorção da solução deslocou para 300 nm e pico a 403 nm desapareceu completamente o que indicou redução de 4-NP a 4-AP sem subproduto. Mecanismo hipotético para redução de 4-NP mostrado na Fig. 7. No mecanismo, 4-NP e borohidreto de sódio estão presentes na solução na forma de íons. Prótons do íon borohidreto adsorvem na superfície de nanopartículas de cobre e BO₂ produzido. Íons 4-nitrofenolato também adsorvem na superfície de CuNPs. Devido à adsorção de ambos prótons e íon 4-nitrofenolato, CuNPs superam barreira cinética de reagentes e íon 4-nitrofenolato é convertido em íon 4-aminofenolato. Após conversão, dessorção do íon 4-aminofenolato ocorre e é convertido em 4-aminofenol.

Conclusões

Este artigo revisou e resumiu informações recentes de métodos biológicos usados para síntese de nanopartículas de cobre (CuNPs) usando diferentes plantas. Síntese verde de CuNPs foi proposta como alternativa valiosa a métodos físicos e químicos com baixa citotoxicidade, perspectivas econômicas, eco-amigável, biocompatibilidade aprimorada, viabilidade e alta atividade antioxidante e antimicrobiana de CuNPs. Mecanismo de biossíntese de NPs ainda é desconhecido, e mais pesquisa precisa focar no mecanismo de formação de nanopartículas e compreensão do papel de fitoquímicos na formação de NPs. Esta revisão dá dados de plantas usadas na síntese de nanopartículas de cobre, procedimento de síntese e parâmetros de reação que afetam propriedades de CuNPs sintetizadas. Análise de triagem fitoquímica é análise química usada para identificar fitoquímicos como detecção de carboidratos, taninos, saponinas, flavonoides, alcaloides, antraquinonas e antocianósidos em diferentes plantas. Mecanismo de redução de íon cobre por quercetina e estabilização de nanopartículas de cobre por santina descrito neste artigo. Técnicas de caracterização usadas na literatura para nanopartículas de cobre são UV-vis, FTIR, XRD, SEM, FESEM, TEM, PSA, MZS, EDX, NTA, SAXS, XRR, XRF, XPS, BET, SAED e AFM. Nanopartículas de cobre mostram atividade catalítica, atividade antibacteriana, atividade citotóxica ou anticancerígena, atividade antioxidante e atividade antifúngica em diferentes aplicações. Mecanismos hipotéticos de atividade antimicrobiana e redução de 4-nitrofenol com diagramas mostrados neste artigo.

CuNPs com diferentes propriedades estruturais e efeitos biológicos efetivos podem ser fabricados usando novos protocolos verdes nos próximos dias. Controle sobre tamanho de partícula e, por sua vez, propriedades dependentes de tamanho de CuNPs abrirão novas portas de suas aplicações. Este estudo fornece visão geral de síntese de CuNP usando extrato vegetal, extrato microbiano e biomoléculas naturalmente ocorrentes. Embora todos estes protocolos verdes para síntese de CuNP tenham suas próprias vantagens e limitações, uso de extrato vegetal como redutor é mais benéfico comparado ao uso de extrato microbiano devido à taxa rápida de produção de nanopartículas com redutor verde anterior.