Avanços na Síntese de Nanopartículas de Metais Nobres

Resumo

Os metais nobres desempenham um papel fundamental na história humana há séculos; contudo, sua integração com os avanços recentes em nanotecnologia e ciência dos materiais abriu novas oportunidades de pesquisa tanto na academia quanto na indústria, resultando em uma nova gama de aplicações avançadas, incluindo as médicas. As nanopartículas de metais nobres (NMNPs) têm sido de grande importância no campo da biomedicina nas últimas décadas devido à sua relevância na saúde personalizada e diagnósticos. Em particular, nanopartículas de platina, ouro e prata ocupam posição de destaque, graças a uma ampla variedade de aplicações industriais, incluindo as biomédicas, como agentes antimicrobianos e antivirais, diagnósticos, transportadores de fármacos e sondas de imagem. Notavelmente, sua superior resistência a condições extremas de corrosão e oxidação é altamente valorizada. Nas últimas duas décadas, houve um tremendo avanço no desenvolvimento de novas estratégias de síntese de NMNPs mais econômicas e robustas, que fornecem materiais com propriedades físico-químicas, ópticas, térmicas e funcionalidades bioquímicas altamente ajustáveis. Como resultado, novos NMNPs híbridos avançados com polímeros, grafeno, nanotubos de carbono, pontos quânticos e sistemas core-shell foram desenvolvidos com características físico-químicas ainda mais aprimoradas, levando a aplicações diagnósticas e terapêuticas excepcionais. Nesta revisão, objetivamos resumir os avanços atuais na síntese de NMNPs (Au, Ag e Pt).

Introdução

Os metais nobres são utilizados há muito tempo, remontando à primeira civilização egípcia, e sempre foram vistos como sinal de poder e riqueza superiores. Por isso, aparecem na história na forma de obras de arte caras, moedas, joias, etc. [1]. Esses metais tendem a ser mais caros que outros devido à sua disponibilidade na crosta terrestre [2, 3]. Devido à sua natureza robusta e resistência a condições extremas de corrosão e oxidação, têm sido amplamente utilizados nas indústrias aeroespacial, automotiva, química, de energia, elétrica e eletrônica e, mais importante, na saúde (de equipamentos cirúrgicos a realçadores de contraste em imagem) [4, 5].

Nas últimas duas décadas, a nanotecnologia provou ser a tecnologia futura mais promissora, oferecendo inúmeras possibilidades. O apoio multidisciplinar dos setores acadêmico e industrial tornou-a o campo de expansão mais rápida, com resultados altamente promissores [6-8]. Atualmente, o salto tecnológico na síntese e controle de metais em nanoescala proporcionou imensas oportunidades de pesquisa para progredir em saúde personalizada, diagnósticos e terapias [9-11]. As nanopartículas metálicas (MNPs) tornaram-se as mais comumente estudadas devido às suas impressionantes propriedades físico-químicas e grande razão superfície-volume em comparação com seu material em massa (metal). Quanto às aplicações biomédicas, as NMNPs tornaram-se uma escolha natural devido à sua resistência a ambientes hostis. Foram aplicadas em ensaios diagnósticos altamente sensíveis, como realçadores de ablação térmica em radioterapia, e como veículos de entrega de fármacos e genes [3, 12, 13].

A recente fusão da nanotecnologia com a ciência dos materiais resultou no desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos com propriedades térmicas, catalíticas, elétricas, ópticas e mecânicas altamente aprimoradas em comparação aos componentes individuais. Notavelmente, compósitos feitos de NMNPs ganharam grande interesse de pesquisa devido às suas impressionantes propriedades físico-químicas que desempenham papel vital na modificação dos blocos de construção em nanoescala, resultando em amplas aplicações em catálise (principalmente eletrocatálise), óptica, nanomedicina e proteção ambiental [14-17]. Metais nobres no estado coloidal têm sido objeto de estudos intensivos, principalmente devido à sua eficácia em terapêutica e diagnóstico [2, 18]. Da mesma forma, melhorias na síntese de materiais como óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido [14, 19, 20], pontos quânticos [21-23] e nanotubos de carbono [24-26] contribuíram para métodos mais viáveis e eficazes para a formação de nanocompósitos de metais nobres (NMNCs).

Devido ao pequeno tamanho de AuNPs e PtNPs e NMNPs, sua grande razão área de superfície-volume e capacidade de auxiliar em processos de transferência de elétrons de alta eficiência, são candidatos ideais para aplicações como sensores eletroquímicos [27-29]. As propriedades ópticas das NMNPs serviram como tema para muitos estudos, especialmente AgNPs e AuNPs. Essas NPs respondem diferentemente a diferentes comprimentos de onda de luz (espalhamento extensivo da região visível ao infravermelho próximo com Au), sendo aplicadas como realçadores de sinal em espectroscopia Raman de superfície (SERS), ressonância de plasmon de superfície localizada e outras espectroscopias de espalhamento por ressonância [30-33]. Devido às propriedades ópticas extensivamente ajustáveis e biocompatibilidade das AuNPs, foram aplicadas em terapia fototérmica e imagem in vivo (imagem fotoacústica) de tumores [34-36]. Recentemente, AgNPs também exibiram seu potencial em terapia fototérmica, onde são geralmente aplicadas como sistemas core-shell de Ag ou compósitos (com óxido de grafeno reduzido/nanotubos de carbono) [37-39]. A biocompatibilidade das NMNPs com células e tecidos abriu ampla aplicabilidade em diagnósticos [14]. Biossensores de NMNPs e NMNCs (especialmente grafeno) desempenharam papel fundamental no aumento de precisão e especificidade, proporcionando vantagem sobre métodos diagnósticos biomoleculares existentes [40, 41]. Geralmente, AuNPs e PtNPs são empregados no desenvolvimento de novos biossensores e sondas devido à sua capacidade de adsorver biomoléculas, juntamente com sua condutividade e estabilidade supremas [42-45]. Como resultado, as próprias NMNPs ou na forma de NMNCs são aplicadas como imunossensores [46], biomoléculas para detecção [47] e nanossondas (para imagem in vivo de células, rastreamento e estudo da patogênese da progressão de doenças) [2, 6, 48]. Apesar de todas essas vantagens das NMNPs e NMNCs, ainda há muitas questões e debates sobre seu perfil de segurança no corpo humano [49-51].

Nesta revisão, fornecemos um levantamento sobre as metodologias de síntese de NMNPs (Ag, Au e Pt) e NMNCs (com Ag, Au e Pt), junto com seus desenvolvimentos atuais em aplicações biomédicas como terapêuticos e diagnósticos, incluindo a sinergia exibida por NMNCs com NMNPs em termos de desempenho aprimorado, que é um tópico atual quente na pesquisa de materiais.

Tendências Atuais na Síntese de NMNPs

Métodos de Síntese de NMNPs

A preparação de NPs basicamente segue duas abordagens diferentes: (1) top-down (método destrutivo) e (2) bottom-up (método construtivo) (Fig. 1).

Processos top-down envolvem a quebra de materiais em massa em partículas menores de nano-dimensões usando vários métodos físicos e químicos. Em contraste, na abordagem bottom-up, as NPs são produzidas pela auto-organização de átomos, moléculas ou clusters. As abordagens top-down envolvem processos controlados externamente de corte, fresagem e conformação dos materiais na ordem e forma desejadas. Vários métodos físicos, como pirólise [61, 62], nanolitografia [63, 64], termólise [65] e métodos induzidos por radiação [66-68] pertencem a esta categoria. No entanto, esta abordagem apresenta uma limitação maior: a estrutura de superfície imperfeita das MNPs resultantes, que afeta substancialmente suas propriedades físicas e químicas [1]. Além disso, este método requer enorme quantidade de energia para manter condições de alta pressão e alta temperatura durante o procedimento sintético, tornando o processo caro.

Nos métodos bottom-up, as NPs são montadas a partir dos átomos, clusters e moléculas correspondentes usando procedimentos químicos e biológicos. A abordagem bottom-up mostrou-se vantajosa, pois proporciona controle muito melhor sobre a formação do produto final com tamanho, forma (parâmetros físicos) e composição química mais homogêneos. Além disso, esta abordagem em geral é menos dispendiosa. A abordagem bottom-up é comumente um procedimento de síntese químico-úmido, como redução química [69, 70], eletroquímica [71-73], sonquímica [74, 75] e síntese verde [76, 77]. Na abordagem bottom-up, a purificação das partículas sintetizadas de sua mistura de reação (produtos químicos tóxicos, solventes orgânicos e reagentes) é um grande desafio que lança dúvidas sobre suas aplicações biomédicas, exceto para métodos de síntese verde.

Abordagens Top-Down

Sputtering

Sputtering é um dos protocolos de síntese mais comumente usados, que inclui a deposição de NPs como uma camada fina gerada pela colisão de íons sobre o substrato, seguida de recozimento. Este método também é referido como deposição física de vapor (PVD) [78, 79]. A eficiência deste método depende principalmente de fatores como espessura da camada, tipo de substrato, duração e temperatura do recozimento, que influenciam diretamente o tamanho e a forma das NPs [55, 80, 81].

Micropadronização

Micropadronização, uma técnica popular empregada em biossensores, microarranjos, engenharia de tecidos e estudos celulares [82], também é usada na síntese de MNPs. Em geral, esta técnica é equivalente a um processo de impressão no qual um material é cortado ou conformado na forma e tamanho requeridos, seja com feixe de luz ou elétron para a síntese de arranjos nanoestruturados a partir de um precursor apropriado. É um método de baixa temperatura e não-vácuo que usa fotolitografia para a síntese de MNPs, empregando a sinterização a laser de tinta de MNP [83, 84]. Além da fotolitografia, numerosas técnicas de litografia foram desenvolvidas, como varredura, nanoimpressão suave, coloidal, nanoesfera e litografia por feixe de elétrons [2, 57, 85, 86].

Fresagem

Fresagem é geralmente representada como a face pública dos processos top-down, pois envolve a quebra direta de materiais em massa em micro/nanoestruturas. Na fresagem mecânica, a energia cinética dos rolos/bolas é transferida para o material em massa, resultando na redução do tamanho de grão [87]. Parâmetros como tipo de moinho, atmosfera de fresagem, meio de fresagem, intensidade, tempo e temperatura desempenham papel crucial no controle da forma e tamanho das NPs [88, 89]. Diferentes técnicas foram desenvolvidas para superar essas restrições, incluindo moinhos de agitador, moinhos de tambor, moinhos vibratórios, moinhos de atrito e moinhos planetários.

Ablação a Laser

Ablação a laser é um dos métodos considerados substitutos adequados para métodos químicos convencionais devido aos seus tempos de processamento rápidos, proporcionando melhor controle sobre o tamanho e forma das partículas e altos rendimentos com melhor estabilidade a longo prazo [78, 90-92]. Em um processo de ablação a laser, uma superfície sólida (geralmente uma placa de metal puro) é irradiada com um feixe de laser, levando a uma pluma de plasma de baixo fluxo, que é finalmente evaporada ou sublimada para formar NPs [93]. Em fluxo mais alto, os materiais são convertidos em plasma. A falta de necessidade de remover reagentes em excesso, bem como a possibilidade de síntese de nanopartículas metálicas em solventes aquosos e orgânicos, permitiu a implementação do método de ablação a laser em aplicações biomédicas, como a conjugação in situ de biomoléculas com MNPs, que se mostrou mais eficaz que técnicas padrão [54, 94, 95].

Pirólise

Decomposição térmica é outra técnica importante comumente usada separadamente ou em combinação com outros métodos físicos para síntese de MNPs [78]. É um processo de decomposição química endotérmica que usa calor para quebrar as ligações químicas do composto, resultando na decomposição do precursor, forçando-o a uma reação química produzindo NPs junto com outros subprodutos na forma de cinza. Através de processamento adicional da cinza sólida obtida, as NPs são recuperadas. A pirólise é frequentemente usada para a preparação de MNPs nobres [56, 96, 97]. O consumo excessivo de energia é uma das desvantagens mais importantes deste método.

Deposição Química de Vapor

Este método também é conhecido como método de deposição a vácuo, onde o reagente gasoso é depositado como uma película fina sobre um substrato, junto com uma combinação de outras moléculas de gás que promovem o superaquecimento do substrato. Durante a reação, o substrato entra em contato com os gases combinados, levando à redução dos íons [78]. O produto desta reação geralmente está na forma de uma película da qual as NPs precisam ser raspadas. O método produz nanopartículas altamente puras, uniformes e não porosas; como resultado, tornou-se altamente importante na indústria de eletrônicos e semicondutores. Apesar dessas enormes vantagens, este método sofre de algumas desvantagens maiores: a necessidade de equipamento especial para fazer as películas e câmaras para a reação, e o fato de que os subprodutos gasosos desta reação são extremamente tóxicos [98].

Abordagens Bottom-Up

Redução de Íons Metálicos em Solução

Esta abordagem envolve a redução de íons metálicos de seus sais iônicos usando vários agentes redutores químicos na presença de um agente estabilizador sob parâmetros de reação favoráveis (pH, temperatura, etc.). Este procedimento é o método mais comum e confiável de todas as abordagens bottom-up devido à sua simplicidade [2, 99]. Uma lista extensa de vários agentes redutores está disponível para este processo, incluindo citrato de sódio [10, 100], ácido tânico [99], boridreto de sódio [101], hidrazina, hidrogênio, hidreto de lítio e alumínio, e álcoois [2, 60]. Da mesma forma, quando se trata de agentes estabilizadores, há muitas opções, que geralmente se enquadram em duas categorias: (1) baixo peso molecular (ex.: citrato, SDS, quitosana, etc.) e (2) alto peso molecular (ex.: amido, tween, PVP, PEG, DISPERBYK, etc.). Os estabilizadores de baixo peso molecular (geralmente detergentes carregados) tendem a alterar a carga de superfície das partículas sintetizadas e manter a força repulsiva entre elas, prevenindo agregação; este tipo de estabilizador geralmente não protege bem contra fatores de estresse ambiental (especialmente mudanças na temperatura de armazenamento e exposição à luz). Estabilizadores de alto peso molecular geralmente envolvem as partículas e as protegem de estresses ambientais. Demonstraram ser mais eficientes que os de baixo peso molecular. Apesar de suas vantagens, suas aplicações biológicas e propriedades catalíticas são questionáveis devido à espessa camada de agente estabilizador sobre as partículas que impede sua dissolução [102, 103]. Em termos de homogeneidade no tamanho e forma das partículas, o vencedor claro é a redução baseada em química. Isso porque a redução pode ser facilmente regulada alterando os parâmetros de reação (pH e a razão entre o agente redutor e o estabilizador). Tyagi e sua equipe produziram AuNPs [104] usando o método de redução por citrato à temperatura ambiente, a pH 3 com razões molares de 2:1 e 5:1 de citrato para AuCl₃, resultando em partículas com tamanho médio de 28 e 25 nm, respectivamente. Neste pH, a reação foi muito mais rápida que em outros valores de pH. Eles também mostraram que AuNPs de diferentes formas, como prismas, bastões e esferas, foram formadas em valores de pH variando de 3 a 6 (com razão molar 2:1 de citrato para AuCl₃). Em outro estudo de Agnihotri e colaboradores [105], que aplicaram método similar de redução por citrato para síntese de AgNPs, obtiveram partículas com tamanho médio de 5 nm na maior concentração de citrato de sódio (4,28 × 10⁻³ mol dm⁻³). Seu tamanho aumentou em concentrações elevadas de citrato (para 100 nm a 1,77 × 10⁻² mol dm⁻³). Outro estudo de Hou et al. [106] descreveu a síntese de nanopartículas de Pt altamente estáveis e monodispersas na forma de hidrossóis para aplicações eletrocatalíticas.

Microemulsão

A fabricação de NPs metálicas baseada em microemulsões está se tornando um tópico de grande interesse e também emergiu como um método eficaz que proporciona melhor controle sobre os aspectos físicos das nanopartículas sintetizadas, como tamanho e forma. Em geral, microemulsões são simplesmente misturas de dois líquidos imiscíveis na presença de um surfactante. Estes sistemas geralmente têm tensão interfacial ultra-baixa, grande área interfacial e estabilidade termodinâmica [107]. A primeira síntese baseada em microemulsão de NMNPs foi descrita pela equipe de Muñoz-Flores et al. [58, 108, 109], que sintetizou NPs de platina, paládio e ródio. Na síntese de NPs baseada em microemulsão, duas microemulsões separadas são preparadas, uma contendo o sal iônico e outra contendo o agente redutor produzido em um ambiente anfifílico. A colisão entre as emulsões leva à mistura dos reagentes e reduz os íons do sal a átomos neutros, que então formam nanopartículas [2]. Sistemas água-em-óleo são geralmente empregados para a síntese de nanopartículas metálicas, e como as nanopartículas produzidas por este método são derivadas na forma de emulsões, são geralmente termodinamicamente estáveis. Dependendo da necessidade, este processo também pode ser adaptado para sintetizar um tipo específico de nanopartícula alterando a razão do surfactante para o óleo. Isso torna possível controlar o tamanho e a forma das partículas [110].

Métodos Eletroquímicos

Processos eletroquímicos são comumente empregados para a síntese de NMNPs e nanocompósitos, que são principalmente usados por suas propriedades catalíticas e recentemente têm sido usados em aplicações biomédicas como biossensores [111]. O método eletroquímico foi introduzido pela primeira vez em 1994 por Reetz e Helbig, que dissolveram uma chapa de metal puro do ânodo para alcançar a deposição de sal metálico no cátodo de uma célula eletroquímica na presença de um eletrólito para produzir nanopartículas [2, 112]. A eficácia deste método depende de vários parâmetros, como a natureza do agente redutor, a pureza do metal e do estabilizador, escolha do eletrólito, razão de concentração e temperatura, que impactam diretamente os parâmetros físicos das NPs [53]. Atualmente, a síntese de nanocompósitos (especialmente com grafeno) usando métodos eletroquímicos é preferida à síntese de NPs [113].

Métodos de Síntese Induzidos por Radiação

Este método emprega radiação ionizante (especialmente radiação gama e inclui raios-X e luz UV) para a síntese de nanopartículas metálicas. Provou ser altamente eficiente em comparação aos métodos convencionais de síntese de NPs, pois fornece nanopartículas metálicas totalmente reduzidas, altamente puras (livres de subprodutos). O tópico foi bem coberto em várias revisões [59, 66, 114, 115]. Neste processo, uma solução aquosa de agentes redutor e estabilizador é exposta à radiólise mediada por radiação, que leva à formação de NPs. Durante a exposição à radiação, as moléculas de água se quebram, produzindo produtos transitórios que atuam como fortes agentes oxidantes ou redutores e reduzem íons metálicos a átomos metálicos neutros, que nucleiam para formar NPs. As técnicas de raios-X de síncrotron permitiram monitorar as trajetórias de crescimento de NPs coloidais em tempo real [116]. Os parâmetros físicos críticos para a síntese de NPs incluem a dose de radiação, pH do sistema e o tipo de solvente usado na síntese [117]. Recentemente, síntese induzida por radiação foi usada para a produção de AgNPs estabilizadas por tween 80 para aplicações antibacterianas [118].

Métodos de Síntese Verde Induzidos por Micro-ondas

Geralmente, síntese assistida por micro-ondas também é conhecida como síntese one-pot e envolve a síntese de NPs a partir de sais e soluções de surfactante. É um método altamente confiável, rápido e fácil que suporta controle sobre a morfologia das NPs sintetizadas [2]. Este método funciona no princípio de interação dipolar (moléculas tendem a se alinhar e oscilar em sintonia com o campo elétrico oscilante das micro-ondas, colisão e atrito entre elas causam calor) e condução iônica (o campo elétrico gera movimento iônico enquanto as moléculas tentam se orientar ao campo rapidamente variável, causando superaquecimento instantâneo), produzindo um efeito de aquecimento que resulta na redução de íons metálicos a NPs [119, 120]. O tempo de irradiação por micro-ondas e a concentração do reagente determinam principalmente os parâmetros morfológicos das NPs. Recentemente, propriedades físicas como monodispersidade e tamanho de grão de NPs de magnetita superparamagnética preparadas por síntese assistida por micro-ondas foram controladas pela injeção de humato-poliânion em diferentes estágios da síntese [121]. Descarga elétrica induzida por micro-ondas também foi usada para a síntese de nanopartículas de Cu, Ni e Zn a partir de partículas metálicas na ausência de solventes ou surfactantes [122].

Métodos de Síntese Verde

O uso excessivo de produtos químicos na síntese química quase comprometeu o futuro das aplicações biológicas das NMNPs. Isso resultou na exploração de outros métodos ecológicos com uso mínimo de produtos químicos. Métodos de síntese verde empregando extratos de plantas, microrganismos e biopolímeros provaram ser candidatos potentes para substituir métodos químicos de síntese de NPs (Fig. 2) [123]. Graças a metodologias mais simples e verdes, houve um aumento exponencial nas publicações nas últimas duas décadas [52, 124, 125].

Síntese Biossistêmica de NMNPs

A busca pelo desenvolvimento de métodos economicamente e ambientalmente benevolentes levou à exploração de microrganismos como candidatos potenciais para a síntese de nanopartículas [126, 127]. Sistemas biológicos são excelentes exemplos de organizações hierárquicas de átomos e moléculas, que atraem pesquisadores a usar microrganismos como potenciais fábricas celulares para preparação de nanomateriais. Espécies procarióticas (bactérias) e eucarióticas (algas, fungos e plantas) são usadas para a síntese verde de NPs [123].

Síntese de Nanopartículas Baseada em Bactérias

Bactérias que foram repetidamente expostas a ambientes ricos em metais frequentemente desenvolveram resistência a estas condições extremas [128]. Assim, procariontes tornaram-se uma escolha natural para produção de nanomateriais. Pseudomonas stutzeri AG259, uma bactéria acumuladora de metal isolada de uma mina de prata, foi utilizada por Klaus et al. [129] para criar nanocristais intracelulares de prata metálica de até 200 nm de tamanho. A síntese extracelular de NPs foi relatada pela primeira vez por Shahverdi e colaboradores [130], onde AgNPs foram produzidas pela redução de íons Ag⁺ aquosos através de vários sobrenadantes de cultura de bactérias Gram-negativas, i.e., Enterobacter cloacae, Escherichia coli e Klebsiella pneumonia. A taxa de síntese foi muito mais rápida que a síntese intracelular, resultando em síntese de AgNPs dentro de 5 min do encontro dos íons Ag⁺ com o filtrado celular. Enzimas redutases extracelulares produzidas pelos microrganismos, nomeadamente Bacillus licheniformis e Bacillus clausii, reduzem íons de prata a prata neutra, resultando em partículas nanométricas. Ensaio de proteína destes microrganismos revelou que a enzima redutase dependente de NADH desempenha papel vital na biorredução de íons de prata a nanopartículas de prata. A enzima redutase obtém seus elétrons da oxidação de NADH para NAD⁺. Durante a oxidação, a enzima também é oxidada ao mesmo tempo, resultando na redução de íons de prata a AgNPs. Em alguns casos, observou-se que a redutase dependente de nitrato também pode participar na biorredução [131-133]. Além disso, várias cepas bacterianas (Gram-negativas e Gram-positivas), nomeadamente A. calcoaceticus, B. amyloliquefaciens, B. flexus, B. megaterium e S. aureus, também foram usadas para biossíntese extra e intracelular de AgNPs [123]. Similarmente, AuNPs e PtNPs também são preparadas pelo acúmulo e redução de sais de ouro e platina por bactérias. B. licheniformis, B. megaterium, Delftia sp KCM-006., Shewanella sp., Stenotrophomonas maltophilia e Lactobacillus sp. são alguns exemplos de bactérias usadas para produzir nanomateriais de ouro [134, 135]. Além disso, as bactérias Shewanella sp. e Acinetobacter calcoaceticus PUCM 1011 foram utilizadas para a preparação de PtNPs [136, 137]. Embora a síntese mediada por bactérias seja promissora em termos de sua natureza verde e controle sobre a forma e tamanho das partículas (principalmente na síntese extracelular), sofre de desvantagens como dificuldades de manuseio e baixos rendimentos.

Síntese Baseada em Fungos

Nos últimos anos, a síntese de NMNPs com microrganismos eucarióticos emergiu como uma alternativa melhor aos procariontes devido à sua alta capacidade de captação intracelular de metal, capacidade de sintetizar NPs com diferentes composições químicas, capacidade de produzir grande quantidade de enzimas por unidade de biomassa e fácil manuseio de biomassa em escala laboratorial [131].

Em geral, fungos têm potencial para sintetizar NPs metálicas devido à sua capacidade de bioacumulação de metal, tolerância, alta capacidade de ligação e captação intracelular como bactérias [127]. Fungos usam métodos intracelular e extracelular para síntese de NPs, e a síntese extracelular é o mecanismo mais comumente relatado devido à sua capacidade de produzir grande quantidade de enzimas extracelulares que convertem íons Ag⁺ em partículas de prata em nanoescala [138-140]. Na síntese intracelular, íons Ag⁺ são adsorvidos à superfície celular pela interação eletrostática entre grupos carboxilato carregados negativamente nas enzimas e íons Ag⁺ carregados positivamente. Íons Ag⁺ são posteriormente reduzidos pelas enzimas presentes na parede celular para formar AgNPs; neste processo, NPs são formadas na superfície de micélio, não em solução. Em 2001, a preparação intracelular de AuNPs usando Verticillium sp foi relatada pela primeira vez por Mukherjee et al. [141], onde íons Au³⁺ de tetracloroaurato foram reduzidos dentro das células fúngicas, resultando na formação de partículas na faixa de tamanho de 20 nm. Vahabi e colaboradores [142] empregaram Trichoderma reesei para síntese de AgNPs, onde o meio com biomassa foi inoculado com AgNO₃ e incubado por 72 h, resultando na formação de AgNPs na faixa de tamanho de 5-50 nm. Similarmente, outro estudo da equipe de Vigneshwaran et al. [138] demonstrou a síntese intracelular de AgNPs a partir de Aspergillus flavus e relatou que enzimas na parede celular eram principalmente responsáveis pela redução, e as proteínas pela estabilização. Apesar de todas essas vantagens, como síntese mais rápida e melhor controle sobre o tamanho e forma das partículas sintetizadas, processos intracelulares sofrem de uma enorme desvantagem em termos de recuperação do produto, tornando o processo difícil e caro, já que NPs se ligam à célula. Como resultado, a síntese extracelular é preferida. Na síntese extracelular, caldo/suspensão livre de células é usado no processo de síntese, que se mostra mais ecológico e econômico. Em 2016, a equipe de Balakumaran et al. [143] usou uma suspensão livre de células de Aspergillus terreus para a síntese de AuNPs e AgNPs, resultando em nanopartículas esféricas na faixa de tamanho de 8-20 nm e 10-50 nm para AgNPs e AuNPs, respectivamente. Avaliação por FTIR das partículas confirmou a ligação de proteínas com as NPs.

Síntese Baseada em Algas

A síntese de NPs mediada por algas utiliza quatro métodos diferentes: (1) células algais inteiras são colhidas de seu meio de cultura em uma determinada fase de crescimento usando centrifugação e então dispersas diretamente em solução aquosa do sal metálico; (2) extrato aquoso livre de células feito de células recém-colhidas ou liofilizadas; (3) um extrato aquoso filtrado ou sobrenadante de algas frescas ou secas moídas; e (4) um filtrado aquoso de um caldo algal. Síntese mediada por extrato é o mecanismo de síntese baseado em algas mais comumente relatado [131, 144]. O acúmulo de ouro elementar na forma de AuNPs (9-20 nm) foi notado com uma suspensão de células secas de Chlorella vulgaris por Hosea et al., que também relataram aumento na concentração de ouro com o tempo, provando a capacidade das células algais de captar e reduzir íons de ouro do ácido tetracloroáurico [145]. Velgosova e colaboradores [146] relataram a síntese de AgNPs altamente estáveis a partir de Parachlorella kessleri, um extrato aquoso de alga verde, onde as partículas sintetizadas estavam na faixa de tamanho de cerca de 20 nm e exibiram excelente estabilidade por mais de um ano. Outras espécies algais, como Pithophora oedogonia, Sargassum wightii e Plectonema boryanum, foram usadas com sucesso para construir AgNPs, AuNPs e PtNPs, respectivamente [147-149].

Síntese Baseada em Plantas

Síntese mediada por plantas e extratos de plantas tem sido a metodologia de síntese mais comumente relatada [123, 135, 150]. Este tipo de síntese é designado fitossíntese. A principal vantagem deste método de síntese é a fácil recuperação do produto. Em 2003, a equipe de Gardea-Torresdey et al. foi a primeira a ilustrar a síntese de nanopartículas metálicas (AgNPs) usando um sistema de planta viva com brotos de alfafa (Medicago sativa) em meio de ágar. As raízes possuem a tendência de absorver o Ag do meio e transportá-lo ao longo do caule do sistema no mesmo estado de oxidação; no caule, os átomos de Ag são organizados para formar AgNPs. Similarmente, outro estudo empregou o secretoma da planta de alfafa para reduzir Au⁺ a Au⁰, que também seguiu procedimento similar para produzir AuNPs [151]. Síntese mediada por extrato de planta usa um componente de planta (folhas, caules, raízes, brotos, flores, cascas e sementes) extrato para a síntese de NPs, a principal vantagem deste método é a capacidade do extrato de servir como agente redutor e estabilizador [152]. Este método provou ser o mais eficiente em custo e amigável ao usuário para produzir nanopartículas com estabilidade a longo prazo. Em 2016, a equipe de Balashanmugam et al. demonstrou a síntese fitogênica de AgNPs a partir de extrato aquoso de folhas de Cassia roxburghii. As AgNPs sintetizadas estavam na faixa de tamanho de cerca de 35 nm e exibiram excelente estabilidade por mais de um ano. Este método também facilitou a síntese de partículas individuais e biméticas. Extrato de folhas de nim (Azadirachta indica) foi usado com sucesso por Shankar et al. [153] para preparar prata, ouro e NPs biméticas core-shell Au/Ag. Extratos de plantas similares (casca, folha, fruto e goma) têm sido usados por vários pesquisadores para produzir uma variedade de NMNPs [153-155]. Atualmente, nanopartículas induzidas por luz estão em destaque, pois este procedimento facilita síntese mais rápida durante a exposição da mistura à luz solar. Kumar et al. [156] usaram extrato aquoso de folhas de Erigeron Bonariensis para síntese de nanopartículas de prata que resultaram em AgNPs esféricas e ovais com faixa de tamanho de 13 nm (tamanho TEM). Os parâmetros cruciais a serem considerados nesta síntese são o tempo de exposição à luz e a concentração do extrato de planta no sistema de reação.

Conclusão

Vários métodos físicos, químicos e biológicos foram desenvolvidos para a síntese de NPs. Todos esses processos são amplamente usados baseados na utilidade e aplicabilidade dos nanoprodutos. No entanto, cada um dos protocolos existentes sofre de certas desvantagens e também a maioria desses processos não pode ser escalonada para produção em larga escala. Assim, o desenvolvimento de processos alternativos para fabricar NPs com propriedades controladas e ajustáveis ainda é um desafio em aberto.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Não aplicável.

Abreviações

NM:

Metais nobres

NPs:

Nanopartículas

NMNPs:

Nanopartículas de metais nobres

AuNPs:

Nanopartículas de ouro

AgNPs:

Nanopartículas de prata

PtNPs:

Nanopartículas de platina

NMNCs:

Nanocompósitos de metais nobres

PVD:

Deposição física de vapor

SDS:

Dodecil sulfato de sódio

PVP:

Polivinilpirrolidona

PEG:

Polietilenoglicol

AuCl₃:

Cloreto de ouro

NADH:

Nicotinamida adenina dinucleotídeo

TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão