Os nanomateriais estão atualmente no centro das atenções no campo da regeneração óssea e da engenharia de tecidos em geral. Devido ao seu tamanho em nanoescala, as nanopartículas apresentam maior disponibilidade em sistemas biológicos. O progresso enorme no campo da nanotecnologia de biomateriais contribui para a solução de demandas crescentes no número de enxertos e implantes ósseos funcionais.

Com o envelhecimento cada vez maior da população, a necessidade de vários implantes e scaffolds biomédicos está se tornando um um parâmetro econômico significativo para o sistema de saúde. As substituições de tecidos convencionais (como autoenxertos e aloenxertos), embora existam métodos revolucionários, encontram muitos problemas. 

Considerando que as células interagem com tecidos de tamanho nanométrico e formam uma matriz nanoestruturada, os nanomateriais desempenham um papel fundamental na estimulação da migração e proliferação celular, o que é muito importante para a regeneração do tecido ósseo em particular. 

A nanotecnologia tem recebido grande atenção na engenharia de tecidos e está conectada a muitas disciplinas, como física, química, engenharia, ciências da vida e medicina, representando uma combinação real de diferentes campos. 

Os nanomateriais são atualmente definidos como materiais com unidades estruturais básicas menores que 100 nm em pelo menos uma dimensão e exibem propriedades únicas diferentes de suas contrapartes mais volumosas que os tornaram altamente eficazes em inúmeras aplicações biomédicas.

Figura 1: Escala métrica em nanômetros, na qual a nanoescala (1–100 nm) é comparada entre o macro e o micro. Fonte: (Babuska et al. 2022).

Uma variedade de materiais pode ser usada para preparar nanopartículas, como metais, cerâmicas, polímeros e materiais orgânicos. Scaffolds com nanopartículas podem ser produzidos em nanotubos/nanofibras, que podem simular com ainda mais precisão as dimensões de estruturas naturais do corpo humano, como as fibras de colágeno.

Os materiais nanocristalinos são caracterizados por seus tamanhos de grão extremamente pequenos, o que dá origem a propriedades físicas, químicas e mecânicas únicas em comparação com os materiais correspondentes com tamanhos de grão convencionais. A redução do tamanho do grão de um material fornece propriedades vantajosas, como maior tenacidade e resistência.

Neste caso podemos citar o titânio, um material muito usado para implantes dentários e ortopédicos. Devido às excelentes propriedades, como alta resistência à tração, durabilidade, alta resistência à corrosão, resistência a fluidos corporais e alta biocompatibilidade, o titânio e suas ligas permanecem entre os materiais mais atraentes neste campo.

Estudos mostraram que o titânio em um estado nanoestruturado aponta não apenas pela melhoria de suas características físicas e mecânicas, mas também pela melhoria da resposta celular à interface entre o material e o meio biológico. As nanoestruturas de titânio fornecem uma grande área de superfície e características antibacterianas aprimoradas, osseointegração e interação de proteínas, todas benéficas para implantes médicos.

Agora, vamos falar de nanopartículas. As nanopartículas utilizadas em aplicações médicas costumam ter um tamanho médio de até 200 nm. Devido ao seu pequeno tamanho, formas diferentes e grande área de superfície, elas apresentam maior estabilidade coloidal e, portanto, maior biodisponibilidade. Vejamos a seguir alguns exemplos de nanopartículas que o artigo apresenta e suas vantagens de aplicação na área biomédica.

Nanopartículas de ouro: são as mais interessantes dentre as nanopartículas de metais nobres. As propriedades únicas dessas nanopartículas como boa biocompatibilidade, fácil síntese e funcionalização de superfície, os tornam nanomateriais promissores em aplicações biomédicas, como administração de medicamentos, imagens biológicas, diagnóstico e tratamento de doenças.

Nanopartículas de prata: devido às suas propriedades antibacterianas, a prata e seus compostos têm sido usados para diversos fins médicos há mais de mil anos (mesmo que sem o conhecimento atual). A importância da prata está crescendo, especialmente em um momento em que o aumento da resistência bacteriana é um grande problema global. Hoje, a prata é usada não apenas como agente anti-séptico, mas também por suas propriedades anticancerígenas ou como adjuvante de vacina, agente antidiabético e biossensores.

Nanopartículas de platina: as mais utilizadas são de tamanhos na faixa de 10 a 50 nm. Elas apresentam excelentes propriedades, como biocompatibilidade, biodegradabilidade, osteocondutividade e alta estabilidade. Elas são usadas na detecção de células cancerígenas, redução do estresse oxidativo celular e tratamento da doença de Parkinson. Além de apresentar efeitos bacterio-tóxicos e efeitos citotóxicos nas células cancerígenas.

Nanopartículas de tântalo: o tântalo é um metal com altíssima resistência à corrosão e excelente biocompatibilidade, o que o torna um material promissor para implantes ortopédicos e dentários. O tântalo pode ser fabricado como um material poroso com muitas vantagens, apresentando ótimas propriedades mecânicas e mostra excelente aderência celular e crescimento ósseo interno, resultando em melhor fixação do implante.

Nanopartículas de óxido de ferro: são usadas como agentes de contraste, para terapias de reposição de ferro e para terapias tumorais usando hipertermia tecidual local. As propriedades magnéticas dessas partículas podem ser usadas para a entrega ideal do medicamento no local necessário, o que minimiza os efeitos colaterais e melhora o tratamento de câncer e doenças ósseas.

O artigo cita também nanopartículas de cobre, zinco, magnésio, níquel, óxido de cálcio, óxido de alumínio, nanopartículas de carbono, hidroxiapatita, dentre outros. O que vale muito a leitura do artigo apresentado.

Concluindo, nanomateriais atualmente desempenham um papel importante na pesquisa de engenharia de tecido ósseo. Embora o próprio osso tenha a capacidade de auto-reparação e remodelação, em muitos casos, esses processos não são suficientes, sendo necessária uma intervenção externa. 

Portanto, materiais biocompatíveis para substituir o osso e promover a regeneração dele são necessários, onde os nanomateriais se apresentam muito promissores para esses propósitos. Esses progressos na área de nanomateriais aplicados na engenharia de tecidos (e de regeneração) podem trazer opções inovadoras e revolucionárias de tratamento para a medicina no futuro.

Os nanomateriais são normalmente definidos como compostos com menos de 100 nm de tamanho com uma ou mais dimensões espaciais. Devido às suas características físico-químicas sustentáveis, como ponto de fusão, molhabilidade, propriedades ópticas e elétricas, condutividade térmica e atividade catalítica, os nanomateriais ganharam popularidade em várias aplicações.

Ao longo do último meio século, a nanotecnologia forneceu a base para aplicações industriais além do imaginável. O uso de nanomateriais artificiais está aumentando a uma taxa exponencial, assim como a conscientização pública sobre a nanosegurança e os perigos que representam para a saúde humana, o meio ambiente e a sociedade. 

A estimativa do mercado global de nanomateriais variou de 4,1 a 14,7 bilhões de dólares em 2015 e espera-se uma taxa de crescimento anual de 22% até 2025. O crescimento da indústria é impulsionado pela demanda de materiais com alta resistência, novos e duráveis que surgem de aplicações, pesquisa e desenvolvimento na área da nanobiotecnologia.

Os nanomateriais são usados em pesquisa e tratamento biomédico, incluindo bioimagem e biossensores, engenharia de tecido ósseo e antifúngicos. Além disso, os nanomateriais têm sido amplamente utilizados na medicina para o tratamento de várias doenças, incluindo doenças pulmonares crônicas, doenças autoimunes e câncer. 

O conhecimento do mecanismo de toxicidade induzida por nanopartículas é extremamente importante. Os nanomateriais representam um perigo potencial para a saúde do ambiente natural devido ao seu uso sem controle de dosagem e o descarte de resíduos.

No aspecto ambiental, o efeito da exposição dos nanomateriais às plantas é muito afetado pelas características de seus materiais, como agregação das partículas, propriedades de superfície e dissolução. Já no corpo humano, as nanopartículas podem entrar por inalação, ingestão ou penetração na pele.

Algumas nanopartículas, como os nanotubos de carbono por exemplo, podem induzir a formação de tumores, semelhante à toxicidade das fibras cancerígenas de amianto. 

Ao contrário dos estudos de toxicidade convencionais (por resultado experimental), os ômicos permitem o estudo de alterações moleculares celulares simultaneamente em modelos animais e celulares. 

Inovações recentes em instrumentação, ferramentas bioinformáticas e tecnologias modernas de triagem são aplicadas para prever e estimar a segurança das aplicações dos nanomateriais. A caracterização ômica demonstra que os efeitos moleculares dos nanomateriais podem variar de acordo com suas propriedades físico-químicas. 

Por exemplo, as nanopartículas usadas para estimular reações bioquímicas específicas em plantas podem desempenhar um papel na promoção do crescimento vegetal e na sobrevivência de plantas em condições abaixo do ideal, mas é difícil avaliar a segurança do consumo dessas plantas.

Concluindo, a toxicidade dos nanomateriais ainda é um campo a ser muito estudado. Para modelar e prever melhor a adaptação a longo prazo de um sistema biológico exposto aos nanomateriais, é essencial realizar estudos sistemáticos e integrativos. Ou seja, o compartilhamento de informações sobre nanotoxicidade é algo fundamental para avançarmos no entendimento do assunto.

Sendo assim, os nanomateriais trazem aplicações extensas e vantajosas devidos às suas propriedades particulares. Porém, devemos ter um certo cuidado ao manusear esses materiais até termos uma visão mais clara sobre seus danos à saúde.

O trabalho descrito nesse artigo avalia a performance de uma unidade de nanofiltração de membrana de titânia (TNU) que consiste em dois containers de 12,2 m de comprimento, para tratamento de águas recicladas do processo de obtenção de petróleo em minas de areias betuminosas. 

A corrente de rejeitos desse processo é composta de aproximadamente 44% em peso de água, 1% em peso de betume residual e 55% em peso de sólidos, dos quais 82% em peso são areia e 17% em peso são sólidos suspensos (TSS) e ainda a presença de metais pesados e moléculas orgânicas indesejáveis (TOC). 

Cada módulo de separação é composto por 45 membranas de titânia, e cada membrana, com comprimento de de 1200 mm, possui 151 canais com aproximadamente 2 mm de diâmetro (Figura 1). As membranas de TiO2 da unidade são cilíndricas e multicamadas e a camada de separação possui poros com diâmetro médio de 0,9 nm (Figura 2). Os parâmetros para caracterizar o desempenho da TNU são a presença de íons, partículas sólidas suspensas (TSS) e carbono orgânico total (TOC) na corrente permeada.

Figura 1: (a) Módulo de separação com 45 membranas e (b) membrana de titânia com 151 canais.

Os resultados registram uma diminuição da carga iônica no permeado, variando entre aproximadamente 45- 75% dependendo do tipo de íons; porém, a rejeição de TOC e TSS na nanofiltração foi altamente satisfatória, atingindo a retenção acima de 75% e praticamente 100%, respectivamente. Também se apresentou uma redução do fluxo do 63% devido ao fouling. Após de aproximadamente 1500 h foi necessária uma limpeza química in situ que recuperou 10% do fluxo prévio ao fouling. 

Adicionalmente, os resultados mostram que os fluxos reduzidos por causa do fouling permitiram uma rejeição maior de partículas. O artigo conclui que a implementação da TNU para tratamento de água de mineração em escala industrial é possível e pode ser utilizada em conjunto com outras técnicas, como a osmose reversa, para reduzir significativamente a coleta de água dos rios e o armazenamento da água processada.

Com o rápido crescimento e desenvolvimento de big data, inteligência artificial e computação em nuvem nas últimas décadas, o campo da agricultura passou por uma transformação radical e entrou na era da agricultura inteligente. 

Enquanto a agricultura tradicional analisa e resume principalmente o crescimento das culturas por meio de inspeção visual ou experiência de trabalho, a agricultura inteligente monitora principalmente as informações nas atividades de produção agrícola, como pH, temperatura ambiente e umidade em tempo real por meio de sensores distribuídos. 

Do ponto de vista do meio ambiente, economia e confiabilidade a longo prazo, o desenvolvimento de fontes de energia renováveis no ambiente agrícola é ideal para fornecer energia aos sensores agrícolas.

A utilização atual da energia solar é principalmente através de células solares para alcançar a geração de energia fotovoltaica. No entanto, a eficiência de conversão fotoelétrica atual é muito baixa para formar um sistema de geração de alta potência devido à baixa densidade de potência da geração de energia fotovoltaica. 

Além disso, as desvantagens da geração de energia fotovoltaica, como limitação pelo clima, alto custo de materiais à base de silício e alta poluição ambiental, limitam o uso generalizado da geração de energia fotovoltaica na agricultura.

Os TENGs (triboelectric nanogenerators - nanogerador triboelétrico) é uma tecnologia emergente de coleta de energia e atraiu o interesse de pesquisa de muitos estudiosos devido à sua estrutura simples, alto rendimento, baixo custo, diversas opções de materiais e capacidade de coletar energia mecânica irregular, distribuída e de baixa frequência, que estão presentes no ambiente agrícola.

Como uma tecnologia promissora para colheita de energia mecânica, o nanogerador tem várias vantagens sobre os geradores eletromagnéticos tradicionais, como tamanho pequeno, peso leve, baixo custo de fabricação, estrutura diversificada, alta densidade de potência e alta eficiência.

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia, esses nanogeradores que podem colher simultaneamente energia do vento, gotas de chuva e do fluxo da água é proposta e demonstrada pelos autores, desde que toda e qualquer energia no ambiente possa ser usada para atender à demanda de energia para qualquer clima.

Figura 1: TENGs para detecção auto alimentada de informações agrícolas; diagrama esquemático da energia gerada por filmes poliméricos multicamadas que alimenta a operação do sistema de estufa. Fonte: (Dai et al. 2022).

Em seguida, os autores realizaram testes mecânicos nas amostras e chegaram à conclusão de que a viabilidade do processo proposto é comprovada pela produção bem-sucedida dos compósitos com estruturas altamente ordenadas de fibras alinhadas. 

O artigo apresenta vários setores além da onde esses nanogeradores podem ser aplicados, tais como: fixação de nitrogênio (para a produção de fertilizantes), crescimento de colheita (para garantir que os produtores agrícolas possam obter os benefícios econômicos desejados por meio do cultivo agrícola), purificação do ar (que afetam muito o crescimento de plantações e animais) e purificação da água.

As amplas aplicações de sensores inteligentes na agricultura levaram ao desenvolvimento da agricultura em direção à modernização, informatização e inteligência. Sensores sustentáveis, sem manutenção e amplamente distribuídos são o pré-requisito e a chave para obter informações agrícolas em uma grande área.

Sendo assim, os autores apontam alguns conjuntos principais para a aplicação desses nanogeradores são a integração e miniaturização do sistema, estabilidade e durabilidade, precisão de detecção, performance e demanda comercial. 

Concluindo, mesmo a agricultura ser uma técnica milenar, ela não está restrita ao avanço da humanidade e, com isso, da tecnologia. Desenvolver e aperfeiçoar equipamentos (com diferentes materiais) para vencer condições climáticas mais diversas para garantir a produtividade agrícola é uma atribuição extremamente importante e reforça a importância do papel do engenheiro de materiais na nossa sociedade.

Devido ao seu baixo peso, alta ductilidade e excelente resistência, os compósitos de matriz de alumínio (Al) e ligas de alumínio têm atraído crescente interesse nos campos automotivo, aeroespacial e de defesa nacional. 

Muitos estudos sobre alumínio reforçado com diferentes materiais foram realizados recentemente, reforços tais como fibras de carbono (CFs - carbon fibers), nanotubos de carbono, fibra de grafite, grafeno e assim por diante. O baixo custo e as propriedades mecânicas superiores das fibras de carbono são experimentalmente melhores do que as de outros reforços.

Além disso, a impressão 3D atrai enorme atenção devido à sua alta precisão, baixo custo e curto tempo de fabricação. Vários materiais podem ser impressos usando diferentes técnicas, como metais, cerâmicas, cimentos, polímeros e materiais biológicos, o que permite sua aplicação em campos variados.

No trabalho realizado pelos autores, foram produzidas quatro amostras com diferentes arranjos de fibras de carbono alinhados em camadas de alumínio usando uma impressora 3D baseada em SLA (Stereolithography Apparatus), que ocorre por fotopolimerização.

Os autores organizaram as fibras de maneira aleatória, paralela, circular e ortogonal. Após a impressão das amostras e da sinterização, analisaram as microestruturas, reação da interface e propriedades mecânicas dos compósitos CFs/Al (fibras de carbono/alumínio). 

Dos materiais usados na pesquisa, foram utilizados: resina fotossensitiva, pó de alumínio esférico (tamanho de partícula de 48 μm e 99,7% de pureza) e fibras de carbono com diâmetro médio de 7 μm e comprimento médio de 2 mm.

Um detalhe importante que os autores apontam na preparação das amostras é que para reduzir as cavidades gasosas nas estruturas e melhorar as propriedades mecânicas dos materiais compósitos produzidos, a quantidade da resina fotossensível deve ser minimizada de modo que a amostra esteja completamente curada, ou seja, sem excesso de resina na peça.

O processo de impressão 3D foi da seguinte forma: a suspensão do compósito era depositada na mesa de impressão e o mecanismo de raspagem era movido horizontalmente e uma parte da suspensão fica aderida na superfície (onde se obtém a primeira camada), assim, dá-se início ao processo de cura e o mecanismo movia-se horizontalmente para dar início a outra camada. Após todo o processo, as peças foram sinterizadas - para remoção total da resina.

Figura 1: Diagrama esquemático dos processos de impressão 3D: a linha pontilhada amarela representa o arranjo paralelo e a seta preta representa o arranjo ortogonal. Fonte: (Liang et al. 2022).

Em seguida, os autores realizaram testes mecânicos nas amostras e chegaram à conclusão de que a viabilidade do processo proposto é comprovada pela produção bem-sucedida dos compósitos com estruturas altamente ordenadas de fibras alinhadas. 

Figura 2: Imagem do microscópio eletrônico de varredura das fibras alinhadas (c) aleatoriamente e (d) paralelamente. Fonte: (Liang et al. 2022).

Os resultados dos testes mecânicos mostraram também que o arranjo paralelo teve o maior alongamento, que é cerca de 0,4 vezes maior que o arranjo aleatório. Além disso, o arranjo ortogonal teve a maior resistência ao impacto, que foi cerca de 0,8 vezes maior que o arranjo aleatório. 

Com isso, os autores demonstram que o arranjo específico de fibras pode melhorar anisotropicamente as propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com fibras e contribuir para as indústrias - principalmente as automotivas, aeroespaciais e de defesa nacional, que são de grande interesse mundial.