Com o desenvolvimento da tecnologia da informação, as pessoas estão trocando informações cada vez com mais frequência. Neste contexto, a questão da segurança da informação tem recebido mais atenção do que nunca, e grandes esforços têm sido feitos para explorar novas tecnologias de criptografia para aumentar a segurança da informação. 

Entre os métodos técnicos, a criptografia holográfica óptica tornou-se um dos tópicos de pesquisa mais importantes da tecnologia moderna de criptografia devido às suas características técnicas únicas. Nela, as informações podem ser ocultadas em uma variedade de parâmetros, como fase, frequência espacial, polarização ou comprimento de onda, o que a confere uma excelente capacidade de codificação e design de flexível.

Enquanto isso, os cristais líquidos (LCs - liquid crystals) também têm sido amplamente utilizados em modulações espaciais de luz devido às características ópticas únicas de controle de polarização e sensibilidade à resposta a estímulos externos. Assim, as meta-superfícies integradas ao cristal líquido também podem funcionar como candidatas à criptografia de informações, que podem ser implementadas alterando as tensões aplicadas ou à temperatura ambiente.

Inspirado no Tiger Amulet (Amuleto de Tigre - tradução literal), uma ferramenta em forma de tigre emitida para generais na China antiga, os autores propuseram um método de criptografia de alta segurança baseado em um holograma de cristal líquido “quatro em um” para resolver alguns problemas de segurança que alguns métodos atuais enfrentam.

Figura 1: Em (a) tem-se a inspiração do Tiger Amulet, em (b) tem-se a ilustração esquemática do resultado da reconstrução quando quatro pequenos hologramas são colocados no caminho óptico para trabalhar separadamente e em (c) tem-se a ilustração esquemática do resultado da reconstrução quando quatro pequenos hologramas são unidos da forma correta. Fonte: (Huang et al. 2023).

A ideia básica de como o Tiger Amulet funciona é que um amuleto do mesmo grupo (ou seja, equivalente) pode ser combinado para formar um padrão completo e desempenhar o papel de transmitir ordens. O método proposto pelos autores funciona em uma lógica semelhante: a imagem criptografada mais importante só pode ser exibida quando os quatro hologramas de cristal líquido no mesmo grupo são unidos em um todo de acordo com a ordem projetada. Quando juntados na ordem errada ou colocados num outro caminho óptico, as informações de camuflagem (ou seja, falsas) seriam decodificadas, ao invés das informações reais. 

Com muitas vantagens, como grande área de fabricação e baixo custo, o cristal líquido foi escolhido como material perfeito para implementar o novo método de criptografia proposto pelos autores. Além disso, ao aplicar tensões externas, os ângulos de orientação fora do plano variam, levando a uma eficiência holográfica diferente e a condições de descriptografia mais exigentes. 

Segundo os autores, a imagem criptografada é ocultada quando os quatro pequenos hologramas funcionam separadamente no caminho óptico. Mas quando eles são combinados corretamente, a imagem criptografada pode ser decodificada e exibida. 

Isso quebra a propriedade de que qualquer parte do holograma tradicional contém informações de ondas de luz de objetos inteiros. Portanto, mesmo que um único holograma pequeno seja roubado, por exemplo, as informações criptografadas não podem ser recuperadas e apenas as informações erradas como camuflagem seriam decodificadas, o que aumenta a segurança das informações. 

Figura 2: Resultados experimentais do holograma de cristal líquido “quatro em um” em diferentes ordens. Em (a) tem-se a imagem holográfica de quatro hologramas projetados na ordem correta e em (b) tem-se a imagem holográfica de quatro hologramas projetados em conjunto na ordem errada. Fonte: (Huang et al. 2023).

Como podemos ver, o método dos autores fornece um esquema de criptografia com design simples, alta segurança e baixa interferência, que apresenta grande potencial nas áreas de ocultação de informações e criptografia de imagens. Podemos não ver tão nitidamente em nosso dia a dia, mas a segurança de informação está presente em cada setor, incluindo fortemente o industrial.

Superfícies superhidrofóbicas bioinspiradas têm um ângulo de contato de gota de água estático e dependem de uma combinação de materiais de baixa energia de superfície e designs de textura da superfície para alcançar certas propriedades. 

Tais superfícies possuem uma ampla gama de aplicações possíveis. Por exemplo, materiais superhidrofóbicos (incluindo revestimentos, tecidos e componentes a granel) com boa resistência à abrasão, resistência química e resistência ao impacto (por exemplo, impactos por partículas sólidas e/ou gotas/jatos de água) foram estudados anteriormente. Um dos principais desafios é a fragilidade mecânica das asperezas, que fazem parte da textura da superfície, e a resistência ao empalamento por meniscos líquidos dinâmicos (por exemplo, aqueles que aparecem durante o impacto de líquidos nas superfícies).

Os autores apresentaram uma nova abordagem para preparar nanocompósitos superhidrofóbicos porosos e volumosos com uma estrutura nanoporosa na superfície, conectada a poros em microescala no interior. Foram usadas esponjas de poliuretano (PU) como moldes para impregnação controlada de partículas de  politetrafluoretileno reforçado com nanotubos de carbono. Essa mistura foi dispersa em etanol para impregnar a esponja de PU seguida de sinterização.

É importante ressaltar que os autores formaram uma camada excessiva de mistura da mistura no modelo de esponja para obter nanoporosidade superficial. Após impregnação e secagem, a esponja de PU foi removida por degradação térmica. Os nanocompósitos e nanoporosos resultantes apresentavam canais em nanoescala na superfície e microporosidade no volume (com variações associadas na rigidez mecânica).

Figura 1: Etapas de fabricação dos nanocompósitos superhidrofóbicos porosos, com uma estrutura hierárquica apresentando poros finos na superfície conectados a microcanais/poros no interior. Fonte: (Wu et al. 2023).

A resistência ao impacto dinâmico e ao empalamento por gotas e jatos de água é essencial para superfícies superhidrofóbicas para atender a uma variedade de aplicações. Por exemplo, durante tempestades ou furacões, os componentes da infraestrutura devem resistir ao impacto de quedas d'água em alta velocidade.

Os canais em nanoescala na superfície, bem como a estrutura porosa dentro do nanocompósito, permitiram que eles resistissem a jatos de água com velocidades de até 85,4m/s (ou seja, bem dentro dos limites de velocidade de furacão de categoria 5).

Em aplicações como condensadores de vapor ou gerenciamento térmico, o material experimenta altas temperaturas. No entanto, agentes de acoplamento de silano ou alguns polímeros normalmente usados na fabricação de superfícies superhidrofóbicas são suscetíveis a se degradarem termicamente.

Com seus ingredientes racionalmente selecionados, os nanocompósitos desenvolvidos também podem manter a superhidrofobicidade após serem aquecidos a 400ºC, imersos em água fervente por 180 minutos ou expostos a uma chama de álcool. A colisão de partículas é inevitável em aplicações da vida real, como infraestrutura externa ou sistemas de transporte. O impacto de partículas pode alterar a topografia da superfície e, muitas vezes, a química da superfície.

Além disso, os nanocompósitos, com uma microestrutura hierarquicamente porosa e reforçada com nanotubos de carbono, apresentaram excelente resistência à abrasão mecânica de longa distância, imersão de longo prazo em meios altamente corrosivos, como água régia e solução de hidróxido de sódio, ou exposição a UV.

Os autores afirmam também que as superfícies eram gelofóbicas (onde não há adesão ao gelo) e sua gelofobicidade poderia ser aumentada impregnando-as com uma mistura de polidimetilsiloxano e óleo de silicone. Em resumo, os autores introduziram uma nova abordagem de modelo para a fabricação de nanocompósitos superhidrofóbicos com robustez mecanoquímica adequada para uma diversidade de condições extremas. 

Esses nanocompósitos podem servir aplicações em campos industriais severos ou sob condições climáticas adversas, que até agora se mostraram indescritíveis para materiais superhidrofóbicos. O que os tornam materiais interessantes para aplicações em áreas de condições extremas e apresentam propriedades que possam garantir a resistência de estruturas em adversidades. 

A queratina é um polímero biológico que compreende a maior parte dos apêndices epidérmicos de mamíferos, aves e répteis, incluindo unhas, cabelos, a camada externa da pele, penas, bicos, chifres, cascos, barbatanas de baleia, garras, escamas, lodo de peixe-bruxa e lagartixa almofadas. 

Além disso, a queratina possui propriedades intrínsecas desejáveis (biocompatibilidade, resposta à hidratação, rigidez, força e outros atributos). Como um material prontamente disponível e renovável, tem sido utilizado como matéria-prima em compósitos reforçados com fibras. 

Os materiais à base de queratina são frequentemente utilizados na natureza como componentes estruturais de suporte de carga que fornecem proteção e resistem a altas forças de impacto. Os sistemas queratinosos apresentam um desempenho admirável sob tais demandas mecânicas diversas, mesmo em comparação com alguns dos materiais de engenharia mais avançados.

Em resumo, pesquisas sobre o tecido queratinoso mecânico se concentram em várias características: túbulos (como encontrados no casco, chifre e barbatanas), estruturas lamelares (encontradas em todos os materiais queratinosos) e geometria em macroescala (como curvatura de cascos ou formato do chifre). 

Quando materiais compósitos incorporam túbulos ou lamelas, eles encontram uma resistência à fratura melhorada devido a interações de rachaduras nas interfaces dessas estruturas. Da mesma forma, as geometrias em escala macro são vias de inspiração práticas, mas amplamente inexploradas, para funções específicas, como impulsores ou pára-choques.

Quanto ao isolamento térmico, os sistemas queratinosos podem ser considerados um dos melhores isolantes da natureza em virtude de suas estruturas elaboradas que retêm o ar. Muitas fibras sintéticas produzidas são mais resistentes à transferência de calor, porém, com o sistema de aprisionamento do ar, os sistemas queratinosos naturais ainda são alguns dos isolantes térmicos mais excelentes. 

Como resultado, os pesquisadores tentaram recriar as configurações desses isoladores naturais em materiais de engenharia para aproveitar suas capacidades térmicas desejáveis. No que se refere a estruturas leves, o artigo traz que em aplicações de engenharia, as estruturas sanduíche são usadas por sua capacidade ultraleve de absorção de energia e resistência mecânica comparável em relação aos materiais a granel. 

As estruturas do tipo sanduíche podem ser adaptadas controlando as propriedades da face, do núcleo e sua geometria. Não se limitam apenas aos materiais de engenharia e são encontradas em abundância em sistemas baseados em queratina, incluindo bicos, penas, espinhos, barbatanas e espinhos. 

Além das excelentes propriedades mecânicas, leves e térmicas das penas das aves, esses materiais queratinosos também são conhecidos por exibir uma ampla diversidade de cores. Essa propriedade se deve em parte à coloração estrutural, que surge das interações da luz com uma matriz submicrônica de morfologias variadas que incluem estruturas multicamadas (como visto na mancha iridescente da garganta do beija-flor) ou cristais fotônicos bidimensionais (como visto em penas de pavão e pato selvagem).

A presença de pigmentos contribui para a coloração mais vibrante devido aos seus altos índices de refração e ampla absorção abrangendo a faixa UV-visível. A cor estrutural nas penas das aves pode ocorrer como iridescente ou não iridescente e é fortemente dependente da estrutura e organização. Normalmente, a ordem de longo alcance é responsável por produzir iridescência, enquanto a ordem de curto alcance não é iridescente. Assim, a cor estrutural nas penas das aves é altamente ajustável e, portanto, um candidato desejável para a bioinspiração, segundo os autores.

Até agora, foi visto como as estruturas queratinosas fornecem propriedades benéficas que podem ser usadas para inspirar projetos de engenharia. No entanto, a própria queratina tem sido frequentemente utilizada como material para várias aplicações devido às suas propriedades intrínsecas diferenciais. 

Recentemente, houve um aumento significativo no número de estudos biomédicos relacionados ao uso de biomateriais à base de queratina. Essa variedade de aplicações inclui biomedicina, bioeletrônica, formulações de biolubrificantes e fabricação de estruturas ósseas. A queratina é amplamente utilizada em aplicações biomédicas devido à sua biocompatibilidade, boa interação celular e biodegradabilidade. Os designs bioinspirados apresentados pelo artigo não são apenas usados para entender o sucesso dos materiais biológicos, mas também servem como uma plataforma para pesquisadores ampliarem as ideias de design natural além das limitações da natureza, estabelecendo as bases para a próxima geração de materiais funcionais. 

O artigo aborda muito mais aspectos e linhas de pesquisa, sendo uma leitura produtiva e recomendada para quem se interessar nesse universo de bioinspiração na engenharia. Sendo assim, concluímos que com tantas utilidades diferentes, entender e replicar estruturas semelhantes à queratina tem o potencial de tocar todos os cantos da sociedade, fortalecendo ainda mais a importância direta da engenharia de materiais.

No futuro, espera-se que os robôs atuem como ajudantes versáteis, ou seja, os papéis dos robôs serão amplamente expandidos em todos os lugares, de fábricas a residências, da terra ao espaço, do meio civil ao militar e do mecanizado ao engenhoso. Essas mudanças exigem versatilidade e adaptabilidade para uma gama mais ampla de ocasiões. 

Na natureza, por exemplo, os animais podem atender a essa exigência, pelo fato de seus corpos serem compostos de materiais macios (como os músculos). Inspirados por isso, os robôs macios foram estudados e desenvolvidos nos últimos anos e são considerados candidatos promissores para fornecer versatilidade adicional aos robôs.

Os materiais inteligentes geralmente apresentam uma variedade de funções, como características de resposta, detecção, feedback, autodiagnóstico, autocorreção e auto-adaptação. 

O metal líquido oferece várias vantagens, incluindo baixo ponto de fusão, baixa viscosidade, alta condutividade elétrica e condutividade térmica. Isso sugere que o módulo de Young de um componente funcional baseado em um metal líquido cobre uma ampla faixa nesse módulo. 

Além disso, os metais líquidos com a capacidade desejável de alternar entre várias morfologias podem exibir uma riqueza de comportamentos de resposta inteligentes a estímulos externos. 

Devido à sua alta condutividade elétrica, condutividade térmica, baixos pontos de transição de fase, tensão superficial e interfaces ativas, os metais líquidos não apenas respondem a múltiplos campos externos (como campos elétricos e magnéticos, luz e calor), mas também demonstram características inteligentes. 

Com isso, os metais líquidos surgem como uma nova classe de materiais inteligentes. Ao utilizar as vantagens de metais líquidos e outros materiais sinérgicos, uma série de propriedades inteligentes de compósitos de metal líquido foram descobertas, apontam os autores. 

Consequentemente, espera-se que materiais inteligentes de metal líquido resolvam o compromisso entre suavidade e precisão exigidas, abrindo novas possibilidades para a robótica “macia”.

À medida que a complexidade dos sistemas aumenta, espera-se que propriedades inteligentes imprevisíveis apareçam também e a construção efetiva de um sistema compósito de metal líquido pode se tornar um desafio. 

Assim, estudos devem ser realizados para a construção de sistemas compósitos de metal líquido capazes de trabalhar em conjunto com outros materiais. Os autores apontam que além de soluções, partículas e polímeros, explorar as interações de outras substâncias sinérgicas com metais líquidos para a construção de sistemas compósitos é uma estratégia promissora.

Os autores apontam também que o desempenho dos robôs precisa ser aprimorado para aplicações práticas, por exemplo, não apenas para a velocidade e força, mas também para sua deformabilidade.

Os robôs líquidos são diferentes dos robôs tradicionais e a implementação deles será um desafio. Por exemplo, a modelagem 3D de robôs líquidos ainda está repleta de dificuldades devido à falta de estruturas de suporte, pois os robôs geralmente precisam formar formas específicas ao realizar tarefas. 

Em conclusão, os robôs macios de metal líquido estão evoluindo da fantasia para a realidade. O desenvolvimento de materiais inteligentes de metal líquido é um passo fundamental para alcançar esse objetivo (e tem recebido grande atenção nos últimos anos).

Os osteossarcomas são tumores (ósseos) sólidos altamente malignos, acometendo geralmente crianças e adolescentes. Metotrexato, doxorrubicina e cisplatina têm sido usados como protocolo de tratamento padrão e esse regime medicamentoso melhorou significativamente o prognóstico dos indivíduos afetados.

No entanto, para os pacientes que não respondem ao tratamento, as opções são poucas. Estudos demonstraram que aproximadamente 40% dos pacientes com osteossarcoma apresentam uma resposta ruim ao protocolo quimioterápico atual e intensificar o regime de tratamento adicionando mais medicamentos não melhora o resultado, mas aumenta a toxicidade.

A hidroxiapatita (HA) é o principal constituinte dos dentes e ossos, de fórmula química Ca10(PO4)6(OH)2, que tem sido extensivamente estudada para diversas aplicações clínicas. Além disso, pode ser sintetizada e moída em partículas em tamanho micro e nano.

As nanopartículas em um volume definido têm a vantagem de ter uma área superficial relativamente maior em comparação com as micropartículas, o que melhora drasticamente as características de carregamento de um agente e, consequentemente, um aumento na capacidade de liberação do fármaco. O foco de pesquisas recentes têm sido ativar biologicamente a HA no tecido alvo para aumentar a eficácia da droga, especialmente no câncer ósseo.

Além disso, estudos mostram efeitos antitumorais da nHA na viabilidade metabólica de vários tipos de células cancerígenas in vitro. No entanto, o efeito antitumoral da nHA puro se mostrou insuficiente para erradicar um tumor estabelecido e, portanto, outros métodos precisam ser explorados para aumentar sua citotoxicidade. 

Com base na estrutura físico-química da HA, o artigo levanta a hipótese de que citostáticos, como DOX, podem ser somados na superfície das partículas de HA, permitindo a administração local controlada de uma droga antitumoral com menos efeitos colaterais.

O estudo realizado foi composto por 3 partes principais: 1) Validação da ligação DOX-HA (doxorrubicina - hidroxiapatita); 2) Liberação lisossômica dependente do pH intracelular e entrega de DOX direcionada às mitocôndrias por nHA e 3) A eficácia das partículas de HA entregando DOX localmente em um xenoenxerto (transplantes de tecidos) de osteossarcoma.

Substitutos ósseos sintéticos baseados em HA têm sido usados durante as últimas décadas para substituir os ossos danificados em traumas ou acidentes. A aplicação de partículas puras de HA na inibição de tumores, particularmente nanopartículas, é um campo de pesquisa que ganhou atenção significativa recentemente. 

Neste estudo, os autores apresentaram que a DOX pode se ligar a HA in vitro e in vivo por meio de uma interação eletrostática, independentemente do tamanho das partículas de HA.

Os autores mostraram que a DOX, uma droga fundamental para o osteossarcoma, mostra agregação de HA particulada de tamanho nano e micro. A DOX administrada sistemicamente procura e liga as partículas de HA com mais afinidade a nHA quando em comparação com o mHA. 

Interações celulares in vitro com nHA funcionalizada com DOX indicam que o composto nHA + DOX leva à entrega intracelular de DOX, mirando na mitocôndria, levando à redução da migração celular e aumento da apoptose - “morte celular programada”.

O composto mHA + DOX pode liberar DOX extracelularmente por um longo período de tempo e, combinando as partículas de nHA e mHA, a biocompatibilidade das partículas de HA pode ser aumentada. 

Ao aplicar o sistema transportador nHA/mHA entregando DOX para o tratamento de um osteossarcoma localizado em um modelo de camundongo, foi mostrada uma redução significativa no crescimento do tumor com o uso de nano/micro HA + DOX. 

Os autores citam que nenhuma nova modalidade de tratamento para tumores ósseos sólidos evoluiu nas últimas três décadas - fundamentando a importância da pesquisa realizada.

A abordagem apresentada pelos autores abre novos caminhos para o tratamento complementar de tumores sólidos localizados. A pesquisa se apresenta como um tratamento completamente novo que utiliza partículas (nano e micro) de hidroxiapatita previamente implantadas localmente, agindo como um cavalo de Tróia em um tumor sólido.

Figura 1: Imagens de tomografia computadorizada representativas de cada grupo de teste (controle, apenas DOX, e os compostos desenvolvidos) com linha branca tracejada indicando a captação intratumoral. Fonte: (Liu et al. 2022).

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.