Nanopartículas de Hemina em Formato de Girino e Esfera Obtidas por Diálise: Aumento de 308 Vezes na Solubilidade para Biodisponibilidade de Ferro

Resumo

A hemina, uma fonte de ferro altamente biodisponível, é limitada pela sua solubilidade aquosa praticamente nula. Relatamos uma abordagem simples baseada em diálise que produz duas morfologias distintas de nanopartículas de hemina — em formato de girino (cabeça ≈200 nm, cauda 100 nm) e esférica (50–100 nm). Ambas as formas apresentam solubilidade drasticamente melhorada, com as partículas esféricas alcançando um aumento de 308 vezes a 25 °C em comparação à hemina livre. As nanopartículas permanecem estáveis em pH ácido, alta temperatura e força iônica, e exibem forte absorção no infravermelho próximo, posicionando-as como candidatas promissoras para fortificação de alimentos, liberação biomédica e terapias fototérmicas.

Introdução

A deficiência de ferro afeta quase 20% da população global, causando anemia e redução da qualidade de vida. Embora o ferro não-heme de fontes vegetais esteja prontamente disponível, sua absorção é frequentemente subótima. A hemina — derivada de hemoglobina e mioglobina — oferece absorção superior (50–87%), mas sofre de hidrofobicidade e baixa solubilidade, dificultando seu uso prático. Estratégias convencionais como complexação com proteínas, co-cristalização com arginina e inclusão em ciclodextrinas melhoraram a solubilidade, mas envolvem procedimentos complexos, limitando a escalabilidade.

A nanotecnologia fornece uma rota atraente para melhorar as propriedades físico-químicas de bioativos hidrofóbicos sem alterar atributos sensoriais. Nanopartículas podem aumentar a solubilidade aparente, melhorar a biodisponibilidade e permitir liberação direcionada. Aqui, desenvolvemos um método de diálise simples para produzir nanopartículas quimicamente distintas, avaliamos sua morfologia, estabilidade físico-química e solubilidade, e destacamos suas aplicações potenciais.

Materiais e Métodos

Materiais

Hemina e membranas de diálise de 8–12 kDa foram obtidas da Beijing Solarbio. Acetona (≥ 99,5%) foi adquirida da Kant Chemical. Todos os demais reagentes eram de grau analítico.

Preparação das Nanopartículas de Hemina

Hemina (0,1 ou 0,5 mg mL⁻¹) foi dissolvida em acetona acidificada com 0,1 mL de HCl. A solução foi dialisada contra água desionizada, com trocas diárias de água, até que a liofilização produzisse as nanopartículas. Os parâmetros variados incluíram razões hemina/água (1:3, 1:5, 1:10, 1:50), temperatura (4 °C ou 25 °C) e duração da diálise (1–5 dias).

Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET)

Imagens foram capturadas em um MET Hitachi 7700 a 80 kV. As amostras foram depositadas em grades revestidas de carbono e liofilizadas.

Espalhamento Dinâmico de Luz (EDL)

Tamanho, potencial ζ e PDI foram medidos com um Malvern Zetasizer Nano (diluição 0,05% em água MilliQ, 25 °C).

Espectroscopia UV-Vis

Espectros de absorção (200–800 nm) foram registrados em um espectrofotômetro TU-1810. Concentrações foram determinadas a 640 nm.

Ensaio de Solubilidade

Soluções supersaturadas de hemina livre e nanopartículas foram agitadas a 25, 37, 60 e 80 °C (500 rpm, 30 min). Os sobrenadantes foram centrifugados, diluídos e analisados por UV-Vis.

Testes de Estabilidade

Suspensões de nanopartículas (0,5 mg mL⁻¹) foram expostas a pH 2–11, temperaturas de 25–80 °C e NaCl (0–500 mM). Tamanho, potencial ζ, PDI e turbidez foram monitorados durante a noite a 25 °C.

FTIR, Fluorescência e DRX

Espectros de FTIR (400–4000 cm⁻¹) foram coletados com um Jasco Tensor 27. Fluorescência (excitação 402 nm, emissão 300–600 nm) foi medida em um Hitachi F-7000. Padrões de DRX (2θ 4–40°) foram obtidos usando um Bruker AXS D8 ADVANCE.

Resultados e Discussão

Formação e Morfologia

A 0,5 mg mL⁻¹ de hemina, nanopartículas esféricas (50–100 nm) surgiram na razão hemina/água 1:10 após 3 dias de diálise. Razões maiores (1:50) produziram agregados em forma de bastão. Em contraste, 0,1 mg mL⁻¹ de hemina gerou partículas em formato de girino (≈200 nm de cabeça, 100 nm de cauda) sob condições idênticas. A MET confirmou estruturas monodispersas; a EDL mostrou diâmetros hidrodinâmicos de 218 ± 6 nm (esferas) e 300 ± 8 nm (girinos). Os potenciais ζ foram -21 mV (esferas) e -11 mV (girinos), indicando boa estabilidade coloidal. Valores de PDI (0,35–0,40) refletiram distribuições de tamanho estreitas.

Propriedades Ópticas

Espectros UV-Vis revelaram deslocamento da banda de Soret de 344 nm (hemina livre) para 265 nm (nanopartículas), significando conjugação π-π aprimorada. Ambas as formas de nanopartículas exibiram forte absorção no infravermelho próximo (≈660–770 nm), vantajosa para aplicações fototérmicas e fotoacústicas. A emissão de fluorescência atingiu pico a 500 nm, superior à hemina livre, provavelmente devido ao aumento da solubilidade.

Aumento da Solubilidade

A solubilidade da hemina livre a 25 °C foi de 0,009 mg mL⁻¹. Nanopartículas esféricas atingiram 1,33 mg mL⁻¹, um aumento de 308 vezes. Partículas em formato de girino solubilizaram até 1,00 mg mL⁻¹. A solubilidade aumentou com a temperatura em todas as amostras, confirmando dissolução termicamente ativada.

Confirmação Estrutural

Espectros de FTIR exibiram bandas N-H/O-H alargadas (3470 cm⁻¹) nas nanopartículas, indicando ligações de hidrogênio mais fortes. Padrões de DRX das esferas mantiveram os picos cristalinos da hemina livre, enquanto os girinos mostraram cristalinidade reduzida (35,7% vs. 56,7% para hemina livre), sugerindo amorfização parcial.

Estabilidade

As nanopartículas permaneceram estáveis sob pH ácido (≤ 7) com mudanças mínimas de tamanho e PDI. Em pH alcalino (≥ 9), a agregação aumentou (> 400 nm). Exposição térmica até 80 °C causou leve crescimento de tamanho, mas preservou a integridade coloidal. Alta força iônica (≥ 250 mM NaCl) levou à desestabilização da dispersão.

Conclusões

Engenhamos com sucesso nanopartículas de hemina em formato de girino e esféricas via um método simples de diálise, alcançando aumento de 308 vezes na solubilidade a 25 °C. As partículas demonstram excelente estabilidade ácida e térmica e forte absorção no infravermelho próximo, posicionando-as como plataformas versáteis para fortificação de ferro, liberação de fármacos e terapias fototérmicas. Pesquisas futuras focarão no carregamento de terapêuticos e otimização de respostas optotérmicas.