Essa tese de doutoramento utiliza a auto-organização dos filmes finos layer-by-layer (LbL), auto-organização por alcanotióis mistas (SAMmix) e monocamada de Langmuir no desenvolvimento de dispositivos e novas metodologias para aplicações em nanomedicina. Foram desenvolvidos e aplicados biossensores utilizando as técnicas de LbL e SAM. Dentre os biossensores construídos está o sensor para óxido nítrico (NO•), que é de grande importância no sistema fisiológico. O sensor foi construído por meio da modificação de ultramicroeletrodos de fibra de carbono pela técnica LbL. A caracterização do sensor foi realizada por voltametrias e espectroscopias de impedância eletroquímica. Os resultados revelaram que a difusão de NO• é dependente do número de bicamadas empregadas e da disposição das moléculas no filme. O sensor com arquitetura CF-(PAMAM/NiTsPc), fibra de carbono (CF), ftalocianina de níquel tetrasulfonada (NiTsPc) e dendrímero poliamidoamina (PAMAM), apresentou o melhor sinal analítico. Além disso, foi analisada a detecção de NO• com interferentes como nitrito, nitrato, peróxido de hidrogênio, ácido ascórbico, dopamina, epinefrina e a norepinefrina. Os resultados mostraram alta seletividade devido à utilização do dendrímero PAMAM. O segundo biossensor utilizou a enzima acetilcolinesterase imobilizada em monocamadas auto-organizadas mistas (SAMmix) de alcanotióis. A detecção eletroquímica mostrou-se altamente sensível, uma vez que não há o uso do glutaraldeído como agente reticulante. Com essa plataforma foi possível desenvolver um biossensor de acetilcolina estável e robusto, sendo calculado o valor de Km app = 0,46x10-3 mol L-1, limite de detecção LD=3,32x10-10 mol L-1 e limite de quantificação LQ=1,11x10-9 mol L-1, valores inferiores aos encontrados na literatura, ressaltando a eficiencia da nova plataforma. Seguindo a mesma idéia de auto-organização, foram realizados estudos de nanotoxicidade utilizando modelos de membrana a partir de filmes de Langmuir. O principal objetivo foi elucidar a ação dos nanotubos de carbono (SWCNT), PAMAM e do nanocomplexo entre os dois materiais (SWCNT-PAMAM) nas membranas celulares, a nível molecular, usando um sistema modelo de membrana. A penetração de SWCNT e dos nanocomplexos em monocamadas lipídicas foi estudada utilizando microscopia de ângulo de Brewster (BAM) simultaneamente com cinética de absorção e pressão de superfície. Os resultados confirmaram a interação entre os nanomateriais e a membrana, indicando que a presença dos nanomateriais afeta o empacotamento dos lipídios. Foram realizados ainda estudos de citotoxicidade dos mesmos nanomateriais em sistemas celulares in vitro. Os resultados de citometria, proliferação celular, morfologia e inibição de adesão apresentaram-se evidenciaram que a combinação entre SWCNT e PAMAM, proporciona um maior índice de toxicidade em relação ao SWCNT, um comportamento diferente do que relatado nos componentes individuais. A toxicidade de nanocomplexos de SWCNT-PAMAM e de seus componentes individuais podem estar fortemente ligados ao tipo de material e como estes estão disponíveis no meio de cultura. Os estudos contidos nessa tese mostram a versatilidade dos filmes finos em sistemas auto-organizados e biomiméticos, e podem ser relevantes para o avanço de pesquisas sobre interação de nanomateriais e biossistemas. / In this thesis we employed the concept of self-organization, including the layer-by-layer (LbL) technique, alkanethiols self-assembled monolayers (SAMmix) and Langmuir monolayers, to develop new methods for materials and devices manipulation for application in nanomedicine. Two different types of biosensors were developed. The first one was based on the LbL technique to detect nitric oxide (NO•), which is of great importance in the medicine. The second biosensor was based on SAM monolayers supporting acetylcholinesterase for pesticide monitoring. The NO• was constructed by modified carbon fiber (CF) assembled with nickel phtalocyanine tetrasulfonade (NiTsPc) and polyamidoamine dendrimer (PAMAM) in the form of ultramicroelectrodes (UMEs) by the LbL technique. The sensor was characterized using differential pulse voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The results showed that NO• diffusion is dependent on the number of bilayers employed and the arrangement of molecules in the film. The sensor architecture with CF-(PAMAM/NiTsPc) presented the best analytical signal. In addition, we analyzed the detection of interfering with NO• as nitrite, nitrate, hydrogen peroxide, ascorbic acid, dopamine, epinephrine and norepinephrine. The results showed high selectivity due to the use of PAMAM dendrimer as selective layer. The second biosensor used the enzyme acetylcholinesterase immobilized on SAMmix. The electrochemical detection of carbaryl was highly sensitive, since there is no use of glutaraldehyde as crosslinking agent. Using acetylcholine as a probe, Kmapp value was determined at 0.46x10-3 mol L-1, with detection limit of 3.32x10-10 mol L-1 and quantification limit of 1.11x10-9 mol L-1, values lower than those found in the literature, highlighting the efficiency of the new platform. Langmuir films made of lipids were employed as cell membrane models, in order to investigate the interactions between single-wall carbon nanotubes (SWCNT), PAMAM and their nanocomplex (SWCNT-PAMAM) at the molecular level. The interation of SWCNT and nanocomplexes in lipid monolayers was studies using Brewster angle microscopy (BAM) in conjunction with absorption kinetics and surface pressure. The results confirmed the interaction between nanomaterials and the membrane, indicating that the presence of nanomaterials affects the packing of the lipids. Cytotoxicity studies were also employed to investigate the interaction of nanomaterials in in vitro cell systems. The results of flow cytometry, cell proliferation, morphology and inhibition of adhesion revealed the toxicological aspects of the materials, demonstrating a higher toxicity to the nanocomplex, compared to SWCNT, differently of the individual components. The toxicity of SWCNT nanocomplex and its individual components can be related to the type of material and how these materials are available in the culture medium. The studies in this thesis show the versatility of self-assembly thin films on biomimetic systems and may be relevant to the advance of research on the interaction of nanomaterials and biosystems.

Esta tese de doutoramento relata estudos sobre a interação de nanotubos de carbono com nanomateriais, biomoléculas e células, com o propósito de obter informações relevantes para o desenvolvimento de biossensores e para o campo da nanotoxicologia. No primeiro estudo, foram produzidos e caracterizados três tipos de eletrodos modificados com filmes multicamadas obtidos através da técnica de automontagem. Estes filmes continham nanotubos de carbono de parede simples (SWNT), ftalocianina tetrasulfonada de níquel (NiTsPc) e o dendrímero poli(amidoamina) de geração 2 (PAMAM G2), e estes polieletrólitos foram organizados nos seguintes sistemas: (PAMAM G2/NiTsPc), (PAMAM G2/SWNT) e (nanocompósito SWNT/PAMAM G2 / NiTsPc). Medidas de voltametria cíclica com a sonda ferrocianeto de potássio revelaram que os três sistemas podem ser aplicados como eletrodos descartáveis por serem instáveis e que os dois sistemas com NiTsPc apresentam um amplo intervalo de potencial para detecção de analitos sem a interferência dos picos redox da Pc. Também foram conduzidos ensaios de citometria de fluxo para avaliação da toxicidade de nanocompósitos contendo nanotubos de carbono e poli(amidoamina) de gerações 2, 4 e 6 em células F C3H, correspondentes a fibroblastos saudáveis de fígado humano. Os resultados mostraram que o contato com os nanomateriais provoca uma queda significativa na viabilidade deste tipo de célula, e apontam para a necessidade de aprofundar a investigação sobre os efeitos biológicos deste nanocompósito para que ele seja aplicado com segurança como um vetor de drogas e material genético. A última parte da tese é dedicada a explorar ferramentas computacionais para elucidar os mecanismos de formação do nanocompósito SWNT/PAMAM G2 e sua interação com modelos de membrana celular. Simulações por dinâmica molecular revelaram que a estabilidade do nanocompósito é mantida por interações entre as paredes apolares dos nanotubos e as cadeias internas não polares do dendrímero. O estudo envolvendo bicamadas lipídicas sugeriu que a presença de espécies aniônicas, como as fosfatidilserinas, é crucial para iniciar a ligação desta nanopartícula à membrana celular. O contato do nanocompósito com a bicamada resultou na extração destrutiva de lipídeos da membrana, um efeito deletério que pode causar danos às células. / This thesis describes the interaction between carbon nanotubes and nanomaterials, biomolecules and cells, to obtain relevant information for the development of biosensors and the progress of the nanotoxicology field. In a first study, we produced and characterized three types of modified electrodes made from layer-by-layer films. These nanostructures had single-walled carbon nanotubes (SWNT), nickel tetrasulfonated phthalocyanine (NiTsPc) and poly(amidoamine) dendrimer, generation 2 (PAMAM G2). These polyelectrolytes were organized in the following multilayers: (PAMAM G2/NiTsPc), (PAMAM G2/SWNT) and (SWNT/PAMAM G2 nanocomposite / NiTsPc). Cyclic voltammetry measurements with a potassium ferrocyanide probe revealed that the three systems can be used as disposable electrodes for being unstable and that the two systems with NiTsPc exhibit a wide useful potential interval for detection without the interference of the Pc redox peaks. We also performed flow cytometry experiments to evaluate the toxicity of nanocomposites containing carbon nanotubes and poly(amidoamine) generations 2, 4 and 6 in F C3H cells, derived from healthy human liver fibroblasts. The results showed that the contact with these nanomaterials decreases the viability of this type of cell and point to the need to further determine the biological effects of this nanocomposite before it can be safely applied as a vector for drugs and genetic material. The last part of the thesis explores computational tools to unravel the mechanisms behind the formation of the nanocomposite SWNT/PAMAM G2 and its interaction with cell membrane models. Molecular dynamics simulations revealed that the stability of the nanocomposite is kept mainly by interactions between the apolar nanotube walls and the inner non polar chains of the dendrimer. The study involving lipid bilayers suggested that the presence of anionic species, such as phosphatidylserines, is crucial to trigger the binding of this nanoparticle to the cell membrane. The contact of the nanocomposite with the bilayer resulted in the destructive extraction of lipids from the membrane, an effect that ultimately causes cell damage.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:34:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6244.pdf: 2978934 bytes, checksum: b349f4fd9a75d293d769129783cef18d (MD5) Previous issue date: 2014-08-25 / Financiadora de Estudos e Projetos / One alternative for new packagings is the use of renewable materials as raw materialin the development of films, with the challenge of maintaining the quality of the product. Polysaccharides are abundant and renewable origin, and its derivatives, such as carboxymethylcellulose, widely used in the food industry, have potential use as new materials in the form of films. However, there are challenges adequacies of mechanical properties and incorporation of new features (as antimicrobial) in carboxymethylcellulose films to make her suitable for packaging use. A promising system to modify the characteristics of these films is the incorporation of nanostructures. However, in Brazil there is no legislation to nanomaterials and the increased use of this technology, it is important to value the impact of these new materials from development to the final consumer, to better direct the search. In this context, the objective of this study was to develop carboxymethylcellulose films with PVA-silver nanoparticlesand evaluate their antimicrobial activity and toxicity. Silver nanoparticles were synthesized and incorporated in carboxymethylcellulose, via solution, obtaining films by casting. The following techniques to characterize films/solutions were used: spectrophotometry UV-Vis, Analysis of Particle Size, Zeta Potential, Water Vapor Permeability, Infrared Spectrophotometry, Thermal Analysis (Thermogravimetry and Differential Scanning Calorimetry), Mechanical Testing Tensile, Film Solubility in Water, Scanning Electron Microscopy (SEM / FEG) and Colorimetry. Generally, the addition of nanoparticles modified the characteristics of films, increasing mechanical properties at 66.7%. Evaluated the antimicrobial activity of the nanostructured system by Minimum Inhibitory Concentration (MIC) and inhibition zone, using Gram-positive bacteria (Enterococcus faecalis) and Gram-negative (Escherichia coli).MIC values showed the high effectiveness of the incorporation of the nanoparticles of CMC films (0,12^g mL-1), demonstrating the potential of this material for use in antimicrobial packages. In valuation of the toxicity of this nanostructured system, in vivo tests were performed in cultured cells (cyto and genotoxicity in Allium cepa), ingestion in Wistar rats and ecotoxicity in microcrustacean Daphnia similis. In meristematic cells of A. cepa, no result of cytotoxicity was verified in A. cepa. The analysis of chromosomal aberrations indicated predominance of abnormalities such as bridges chromosome in anaphase, verifying a clastogenic action of PVA-silver nanoparticles. Tests with rats have suggested the toxicity of nanostructured system, causing vacuolation in the liver and intestine crypt dilation, with accumulation of PVA-silver nanoparticles in ileum. Results of ecotoxicity have suggested a toxic potential of silver nanoparticles to aquatic invertebrates (CE5024 and 48 h equal to 0,0015 e 0,0012^g mL-1, respectively). The results of this study indicate that, even at low concentrations, PVA-silver nanoparticles can induce cellular damage in exposed organisms. Due to its increasing use, these data reinforce the importance of performing studies with silver nanoparticles as part of nanostructured systems. / Uma alternativa para embalagens é o uso de materiais renováveis como matéria-prima no desenvolvimento de filmes, com o desafio de manter a qualidade do produto. Polissacarídeos são abundantes e de origem renovável, e seus derivados, como a carboximetilcelulose, muito utilizada na indústria alimentícia, tem potencial de uso como novos materiais na forma de filmes. Porém, há desafios de adequação de propriedades mecânicas e incorporação de novas funcionalidades (como antimicrobiano) a filmes de carboximetilcelulose para tornar seu uso adequado a embalagens. Um sistema promissor para a modificação das características desses filmes é a incorporação de nanoestruturas aos mesmos. Contudo, no Brasil ainda não há uma legislação para nanomateriais e com o maior uso dessa tecnologia, torna-se importante avaliar o impacto destes novos materiais desde o seu desenvolvimento até o consumidor final, visando direcionar melhor as pesquisas. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi desenvolver filmes de carboximetilcelulose com PVA-nanopartículas de prata e avaliar a sua atividade antimicrobiana e a toxicidade. Nanopartículas de prata foram sintetizadas e incorporadas em carboximetilcelulose, via solução, obtendo-se filmes por casting. As seguintes técnicas de caracterização dos filmes/soluções filmogênicas foram utilizadas: Espectofotometria na região do UV-Vis, Análise do Tamanho das Partículas, Potencial Zeta, Permeabilidade ao Vapor de Água, Espectrofotometria de Infravermelho, Termogravimetria, Calorimetria Exploratória Diferencial, Ensaios Mecânicos de Tração, Solubilidade dos filmes em Água, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV/FEG) e Colorimetria. Em geral, a adição das nanopartículas modificou as características dos filmes de CMC, aumentando as propriedades mecânicas em 66,7%. Avaliou-se a atividade antimicrobiana do sistema nanoestruturado por meio da Concentração Mínima Inibitória (MIC) e halo de inibição, utilizando-se bactérias Gram-positivas (Enterococcus faecalis) e Gram-negativas (Escherichia coli). Valores de MIC mostraram a alta efetividade da incorporação de nanopartículas de prata em filmes de CMC (0,12^g mL-1), mostrando seu potencial para o uso em embalagens antimicrobianas. Na avaliação da toxicidade desse sistema nanoestruturado, foram realizados testes in vivo em cultura de células (cito e genotoxicidade em Allium cepa), ingestão em ratos Wistar e ecotoxicidade em microcrustáceo Daphnia Similis. Em células meristemáticas de A. Cepa, nenhum resultado decitotoxicidade foi verificado. A análise das alterações cromossômicas indicou uma predominância de alterações como pontes cromossômicas em anáfase, verificando-se uma ação clastogênica do PVA-nanopartículas de prata. Testes com ratos Wistar sugeriram toxicidade do sistema nanoestruturado, causando uma vacuolização no fígado e dilatação difusa das criptas no intestino, com acúmulo de nanopartículas de prata no íleo. Resultados de ecotoxicidade sugeriram um potencial tóxico das nanopartículas de prata para invertebrados aquáticos (CE5024 e 48 horas iguais a 0,0015 e 0,0012^g mL-1, respectivamente). Os resultados deste trabalho indicam que, mesmo em baixas concentrações, nanopartículas de prata podem induzir a danos celulares em organismos expostos. Devido ao seu crescente uso, estes dados reforçam a importância da realização de estudos adicionais para nanopartículas de prata como parte de sistemas nanoestruturados.

Esta tese de doutoramento relata estudos sobre a interação de nanotubos de carbono com nanomateriais, biomoléculas e células, com o propósito de obter informações relevantes para o desenvolvimento de biossensores e para o campo da nanotoxicologia. No primeiro estudo, foram produzidos e caracterizados três tipos de eletrodos modificados com filmes multicamadas obtidos através da técnica de automontagem. Estes filmes continham nanotubos de carbono de parede simples (SWNT), ftalocianina tetrasulfonada de níquel (NiTsPc) e o dendrímero poli(amidoamina) de geração 2 (PAMAM G2), e estes polieletrólitos foram organizados nos seguintes sistemas: (PAMAM G2/NiTsPc), (PAMAM G2/SWNT) e (nanocompósito SWNT/PAMAM G2 / NiTsPc). Medidas de voltametria cíclica com a sonda ferrocianeto de potássio revelaram que os três sistemas podem ser aplicados como eletrodos descartáveis por serem instáveis e que os dois sistemas com NiTsPc apresentam um amplo intervalo de potencial para detecção de analitos sem a interferência dos picos redox da Pc. Também foram conduzidos ensaios de citometria de fluxo para avaliação da toxicidade de nanocompósitos contendo nanotubos de carbono e poli(amidoamina) de gerações 2, 4 e 6 em células F C3H, correspondentes a fibroblastos saudáveis de fígado humano. Os resultados mostraram que o contato com os nanomateriais provoca uma queda significativa na viabilidade deste tipo de célula, e apontam para a necessidade de aprofundar a investigação sobre os efeitos biológicos deste nanocompósito para que ele seja aplicado com segurança como um vetor de drogas e material genético. A última parte da tese é dedicada a explorar ferramentas computacionais para elucidar os mecanismos de formação do nanocompósito SWNT/PAMAM G2 e sua interação com modelos de membrana celular. Simulações por dinâmica molecular revelaram que a estabilidade do nanocompósito é mantida por interações entre as paredes apolares dos nanotubos e as cadeias internas não polares do dendrímero. O estudo envolvendo bicamadas lipídicas sugeriu que a presença de espécies aniônicas, como as fosfatidilserinas, é crucial para iniciar a ligação desta nanopartícula à membrana celular. O contato do nanocompósito com a bicamada resultou na extração destrutiva de lipídeos da membrana, um efeito deletério que pode causar danos às células. / This thesis describes the interaction between carbon nanotubes and nanomaterials, biomolecules and cells, to obtain relevant information for the development of biosensors and the progress of the nanotoxicology field. In a first study, we produced and characterized three types of modified electrodes made from layer-by-layer films. These nanostructures had single-walled carbon nanotubes (SWNT), nickel tetrasulfonated phthalocyanine (NiTsPc) and poly(amidoamine) dendrimer, generation 2 (PAMAM G2). These polyelectrolytes were organized in the following multilayers: (PAMAM G2/NiTsPc), (PAMAM G2/SWNT) and (SWNT/PAMAM G2 nanocomposite / NiTsPc). Cyclic voltammetry measurements with a potassium ferrocyanide probe revealed that the three systems can be used as disposable electrodes for being unstable and that the two systems with NiTsPc exhibit a wide useful potential interval for detection without the interference of the Pc redox peaks. We also performed flow cytometry experiments to evaluate the toxicity of nanocomposites containing carbon nanotubes and poly(amidoamine) generations 2, 4 and 6 in F C3H cells, derived from healthy human liver fibroblasts. The results showed that the contact with these nanomaterials decreases the viability of this type of cell and point to the need to further determine the biological effects of this nanocomposite before it can be safely applied as a vector for drugs and genetic material. The last part of the thesis explores computational tools to unravel the mechanisms behind the formation of the nanocomposite SWNT/PAMAM G2 and its interaction with cell membrane models. Molecular dynamics simulations revealed that the stability of the nanocomposite is kept mainly by interactions between the apolar nanotube walls and the inner non polar chains of the dendrimer. The study involving lipid bilayers suggested that the presence of anionic species, such as phosphatidylserines, is crucial to trigger the binding of this nanoparticle to the cell membrane. The contact of the nanocomposite with the bilayer resulted in the destructive extraction of lipids from the membrane, an effect that ultimately causes cell damage.

Essa tese de doutoramento utiliza a auto-organização dos filmes finos layer-by-layer (LbL), auto-organização por alcanotióis mistas (SAMmix) e monocamada de Langmuir no desenvolvimento de dispositivos e novas metodologias para aplicações em nanomedicina. Foram desenvolvidos e aplicados biossensores utilizando as técnicas de LbL e SAM. Dentre os biossensores construídos está o sensor para óxido nítrico (NO•), que é de grande importância no sistema fisiológico. O sensor foi construído por meio da modificação de ultramicroeletrodos de fibra de carbono pela técnica LbL. A caracterização do sensor foi realizada por voltametrias e espectroscopias de impedância eletroquímica. Os resultados revelaram que a difusão de NO• é dependente do número de bicamadas empregadas e da disposição das moléculas no filme. O sensor com arquitetura CF-(PAMAM/NiTsPc), fibra de carbono (CF), ftalocianina de níquel tetrasulfonada (NiTsPc) e dendrímero poliamidoamina (PAMAM), apresentou o melhor sinal analítico. Além disso, foi analisada a detecção de NO• com interferentes como nitrito, nitrato, peróxido de hidrogênio, ácido ascórbico, dopamina, epinefrina e a norepinefrina. Os resultados mostraram alta seletividade devido à utilização do dendrímero PAMAM. O segundo biossensor utilizou a enzima acetilcolinesterase imobilizada em monocamadas auto-organizadas mistas (SAMmix) de alcanotióis. A detecção eletroquímica mostrou-se altamente sensível, uma vez que não há o uso do glutaraldeído como agente reticulante. Com essa plataforma foi possível desenvolver um biossensor de acetilcolina estável e robusto, sendo calculado o valor de Km app = 0,46x10-3 mol L-1, limite de detecção LD=3,32x10-10 mol L-1 e limite de quantificação LQ=1,11x10-9 mol L-1, valores inferiores aos encontrados na literatura, ressaltando a eficiencia da nova plataforma. Seguindo a mesma idéia de auto-organização, foram realizados estudos de nanotoxicidade utilizando modelos de membrana a partir de filmes de Langmuir. O principal objetivo foi elucidar a ação dos nanotubos de carbono (SWCNT), PAMAM e do nanocomplexo entre os dois materiais (SWCNT-PAMAM) nas membranas celulares, a nível molecular, usando um sistema modelo de membrana. A penetração de SWCNT e dos nanocomplexos em monocamadas lipídicas foi estudada utilizando microscopia de ângulo de Brewster (BAM) simultaneamente com cinética de absorção e pressão de superfície. Os resultados confirmaram a interação entre os nanomateriais e a membrana, indicando que a presença dos nanomateriais afeta o empacotamento dos lipídios. Foram realizados ainda estudos de citotoxicidade dos mesmos nanomateriais em sistemas celulares in vitro. Os resultados de citometria, proliferação celular, morfologia e inibição de adesão apresentaram-se evidenciaram que a combinação entre SWCNT e PAMAM, proporciona um maior índice de toxicidade em relação ao SWCNT, um comportamento diferente do que relatado nos componentes individuais. A toxicidade de nanocomplexos de SWCNT-PAMAM e de seus componentes individuais podem estar fortemente ligados ao tipo de material e como estes estão disponíveis no meio de cultura. Os estudos contidos nessa tese mostram a versatilidade dos filmes finos em sistemas auto-organizados e biomiméticos, e podem ser relevantes para o avanço de pesquisas sobre interação de nanomateriais e biossistemas. / In this thesis we employed the concept of self-organization, including the layer-by-layer (LbL) technique, alkanethiols self-assembled monolayers (SAMmix) and Langmuir monolayers, to develop new methods for materials and devices manipulation for application in nanomedicine. Two different types of biosensors were developed. The first one was based on the LbL technique to detect nitric oxide (NO•), which is of great importance in the medicine. The second biosensor was based on SAM monolayers supporting acetylcholinesterase for pesticide monitoring. The NO• was constructed by modified carbon fiber (CF) assembled with nickel phtalocyanine tetrasulfonade (NiTsPc) and polyamidoamine dendrimer (PAMAM) in the form of ultramicroelectrodes (UMEs) by the LbL technique. The sensor was characterized using differential pulse voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The results showed that NO• diffusion is dependent on the number of bilayers employed and the arrangement of molecules in the film. The sensor architecture with CF-(PAMAM/NiTsPc) presented the best analytical signal. In addition, we analyzed the detection of interfering with NO• as nitrite, nitrate, hydrogen peroxide, ascorbic acid, dopamine, epinephrine and norepinephrine. The results showed high selectivity due to the use of PAMAM dendrimer as selective layer. The second biosensor used the enzyme acetylcholinesterase immobilized on SAMmix. The electrochemical detection of carbaryl was highly sensitive, since there is no use of glutaraldehyde as crosslinking agent. Using acetylcholine as a probe, Kmapp value was determined at 0.46x10-3 mol L-1, with detection limit of 3.32x10-10 mol L-1 and quantification limit of 1.11x10-9 mol L-1, values lower than those found in the literature, highlighting the efficiency of the new platform. Langmuir films made of lipids were employed as cell membrane models, in order to investigate the interactions between single-wall carbon nanotubes (SWCNT), PAMAM and their nanocomplex (SWCNT-PAMAM) at the molecular level. The interation of SWCNT and nanocomplexes in lipid monolayers was studies using Brewster angle microscopy (BAM) in conjunction with absorption kinetics and surface pressure. The results confirmed the interaction between nanomaterials and the membrane, indicating that the presence of nanomaterials affects the packing of the lipids. Cytotoxicity studies were also employed to investigate the interaction of nanomaterials in in vitro cell systems. The results of flow cytometry, cell proliferation, morphology and inhibition of adhesion revealed the toxicological aspects of the materials, demonstrating a higher toxicity to the nanocomplex, compared to SWCNT, differently of the individual components. The toxicity of SWCNT nanocomplex and its individual components can be related to the type of material and how these materials are available in the culture medium. The studies in this thesis show the versatility of self-assembly thin films on biomimetic systems and may be relevant to the advance of research on the interaction of nanomaterials and biosystems.

A combinação de nanopartículas de dióxido de titânio com nanotubos de carbono de parede múltiplas possibilita a geração de um nanomaterial híbrido, com atividade fotocatalítica aprimorada, denominado TiO2-MWCNT. Existe um grande interesse científico e tecnológico em materiais fotocatalíticos, estes apresentam potencial para o desenvolvimento de novos agentes antimicrobianos, nanocompósitos, catalisadores e remediação ambiental. Apesar de muitos trabalhos enfatizarem os benefícios na utilização de nanohíbridos, ainda são escassos estudos de impactos ambientais e toxicidade. O objetivo deste trabalho foi sintetizar e caracterizar o nanohíbrido TiO2-MWCNT, bem como avaliar sua ecotoxicidade aquática através de ensaios in vivo (embriões de Zebrafish - Danio rerio) e in vitro (linhagem celular RTG-2 - fibroblastos de Oncorhynchus mykiss). O TiO2-MWCNT foi sintetizado pelo método mecanoquímico (moagem em estado sólido) e caracterizado empregando as seguintes técnicas: microscopia eletrônica de varredura e de transmissão, espectroscopia Raman, análise termogravimétrica, espalhamento dinâmico de luz e espalhamento de luz eletroforético. O nanohíbrido sintetizado apresentou atividade fotocatalítica aprimorada, confirmada através de ensaios de fotocatálise. Nos ensaios in vivo, o TiO2-MWCNT não apresentou ecotoxicidade aguda até 100 µg mL-1 (na presença ou ausência de radiação UV). No entanto, foi observada a ingestão do nanohíbrido pelos embriões (via oral) através da técnica microfluorescência de raios-X (µ-XRF). Também não foi observado ecotoxicidade para o nanohíbrido nos ensaios in vitro até 100 µg mL-1; porém foi verificado a capacidade de internalização celular deste material. Em geral, aspectos coloidais (agregação/aglomeração) e a formação de protein corona apresentaram importantes implicações para a determinação precisa da ecotoxicidade. Os resultados obtidos neste trabalho suportam futuras aplicações do nanohíbrido TiO2-MWCNT na área de fotocatálise, e contribui de maneira proativa para sua avaliação ecotoxicológica / The combination of titanium dioxide nanoparticles with multiwall carbon nanotubes enables the generation of a hybrid nanomaterial with improved photocatalytic activity, called TiO2-MWCNT. There is great scientific and technological interest in photocatalytic materials, which present potential for the development of new antimicrobial agents, nanocomposites, catalysts and environmental remediation. Although many papers emphasize the benefits of using nanohybrids, there are still a small number of studies about its environmental impacts and toxicity. The objective of this work was to synthesize and characterize a TiO2-MWCNT nanohybrid. As well as to evaluate its aquatic ecotoxicity through in vivo (Zebrafish embryos - Danio rerio) and in vitro (RTG-2 cell line - Oncorhynchus mykiss fibroblasts) assays. TiO2-MWCNT was synthesized by the mechanochemical method (solid state milling) and characterized using the following techniques: scanning and transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, thermogravimetric analysis, dynamic scattering light and electrophoretic scattering light. The synthesized nanohybrid showed enhanced photocatalytic activity, confirmed by photocatalysis studies. In the in vivo assays, TiO2-MWCNT did not show acute ecotoxicity up to 100 ?g mL-1 (in the presence or absence of UV radiation). However, the ingestion of the nanohybrid by the embryos (oral route) was observed through ?-probe X-ray fluorescence spectroscopy (?-XRF). Also, no toxicity was observed in the in vitro assays up to 100 ?g mL-1; however, the cellular internalization capacity of this material was verified. In general, colloidal aspects (aggregation / agglomeration) and the formation of protein corona presented important implications for the precise determination of ecotoxicity. The results obtained in this work support future applications of the nanohybrid TiO2-MWCNT in the area of photocatalysis and contributes proactively to its ecotoxicological evaluation

Orientador: Leonardo Fernandes Fraceto / Resumo: Para o controle de pragas, contínuamente se faz o uso de elevadas quantidades de agroquímicos que muitas vezes possuem efeitos adversos tanto para o ambiente quanto para a saúde humana. Este fato tem motivado a busca por alternativas menos impactantes. Neste cenário, diversos mecanismos estão sendo estudados a fim de minimizar estes danos, como por exemplo, o desenvolvimento de sistemas carreadores utilizando polímeros biodegradáveis e proteínas. Aliado a isto, a utilização de inseticidas botânicos também tem demonstrado potencialidade para o combate a pragas, devido aos possíveis menores impactos causados por esses produtos de origem natural. Portanto, o presente trabalho descreve o preparo e caracterização de um nanobiopesticida baseado em nanopartículas de zeína carreadas com óleo de neem junto com a avaliação da sua toxicidade contra organismos não alvos (usando Allium cepa, microbiota do solo envolvida no ciclo do nitrogênio e Caenorhabditis elegans) e da sua fitotoxicidade (usando Phaseolus vulgaris). Ademais, a atividade biológica desse novo sistema em pragas agrícolas (Acanthoscelides obtectus, Bemisia tabaci and Tetranychus urticae) também foi investigada. As nanopartículas esféricas apresentaram diâmetro médio de 278 ± 61,5 nm, alta eficiência de encapsulação (> 80%) e boa estabilidade durante os experimentos. Nos ensaios de toxicidade com A. cepa, as nanopartículas de zeína carregadas com óleo de neem mitigaram o aumento do índice de danos relativo ao DNA causado p... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Submitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2017-09-21T19:58:03Z No. of bitstreams: 2 Tese - Fernanda Craveiro Franco - 2017.pdf: 4803005 bytes, checksum: 35b5c5c99f5a0689a4c30ebe8ea513cd (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-09-22T11:38:57Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - Fernanda Craveiro Franco - 2017.pdf: 4803005 bytes, checksum: 35b5c5c99f5a0689a4c30ebe8ea513cd (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-22T11:38:57Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - Fernanda Craveiro Franco - 2017.pdf: 4803005 bytes, checksum: 35b5c5c99f5a0689a4c30ebe8ea513cd (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-09-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The interaction of some compounds and DNA molecule can cause genotoxic changes. The tests used to evaluate genotoxicity have evolved over the years, and they have great efficiency. Currently, several traditional methodologies are used, such as the comet assay, and some more modern, based on molecular biology. Considering the importance of detecting the effects caused by exposure to potentially genotoxic agents, this thesis presents three chapters with different approaches to this topic. The first chapter aimed at evaluating published studies on the mutagenic, genotoxic and oxidative effects caused by occupational exposure to pesticides. For this, a systematic review of articles published between the years of 2011 and 2015 was carried out, focusing on these exposure conditions. The results showed that 44% of the studies addressed only men and 44% approached men and women, and 78% used rural workers as an exposed population. The most evaluated class of pesticide was organophosphorus. The studies were separated by methodologies of analysis used and all showed some type of alteration in the populations occupationally exposed to pesticides. The second chapter, published in the journal Environmental Science and Pollution Research, considered the dengue scene in the state of Goias and techniques of mosquitoes control, and sought to understand the genotoxic effects caused by exposure of endemic agents to pesticides used against Aedes aegypti, being the first study published with this group of workers. The main pesticides used were insecticides and larvicides and an increase in DNA damage was observed in the exposed population, without influence of the lifestyle factors. In the whole transcriptome assay the differential expression of genes related to various chronic diseases was observed. Finally, the third chapter was carried out in collaboration with the Institute of Experimental Medicine of the Czech Academy of Sciences, aiming the determination of cytotoxic and genotoxic effects caused by in vitro exposure to different types of metallic nanomaterials. In nanomaterials that showed cell viability reduction (cytotoxic), an increase in genotoxicity was also identified. In addition, three of the four non-cytotoxic nanomaterials evaluated showed genotoxic effects. Studies aimed at detecting the compounds genotoxic potential are extremely important for the regulatory definition and identification of risks caused by exposure. In this study, the toxicological and genotoxic effects of different compounds and mixtures were evaluated using traditional and modern techniques, in vitro or by human biomonitoring, seeking to understand and determine the risks involved in exposure to these substances. / Compostos que interagem com a molécula de DNA podem provocar alterações genotóxicas. Os testes utilizados para avaliação de genotoxicidade evoluíram ao longo dos anos, apresentando grande eficiência. Atualmente, utilizam-se várias metodologias tradicionais, como o ensaio cometa, e também algumas mais modernas, baseadas na biologia molecular. Considerando a importância de detectar os efeitos causados pela exposição a agentes potencialmente genotóxicos, essa tese apresenta três capítulos com formas de abordagem distintas, referente a essa temática. O primeiro capítulo visou a avaliação de estudos publicados acerca dos efeitos mutagênicos, genotóxicos e oxidativos causados pela exposição ocupacional a pesticidas pela realização uma revisão sistemática de artigos publicados entre os anos de 2011 a 2015. Observou-se que 44% dos estudos abordaram exclusivamente indivíduos do sexo masculino e 44% abordaram ambos os sexos, e 78% utilizaram trabalhadores rurais como população exposta. A classe de pesticida mais avaliada foi a de organofosforado. Os estudos foram separados por metodologias de análise utilizada e todos apresentaram algum tipo de alteração nas populações expostas a pesticidas no ambiente de trabalho. O segundo capítulo, publicado na revista Environmental Science and Pollution Research, considerou o cenário da dengue no estado de Goiás e as formas de combate ao mosquito, e buscou compreender os efeitos genotóxicos causados pela exposição de Agentes de combate a endemias aos pesticidas utilizados contra o mosquito, sendo o primeiro estudo publicado com esse grupo de trabalhadores na região centro-oeste. Os principais pesticidas utilizados foram inseticidas e larvicidas e foi observado um aumento no dano ao DNA na população exposta, sem influência dos fatores relacionados ao estilo de vida. No ensaio de transcritoma foi observada a expressão diferencial de genes relacionados a diversas doenças crônicas. Finalmente, o terceiro capítulo foi realizado em colaboração com o Instituto de Medicina Experimental, da Academia Tcheca de Ciências, visando a determinação de efeitos citotóxicos e genotóxicos, causados pela exposição in vitro a diferentes tipos de nanomateriais metálicos. Nos nanomateriais que apresentaram redução na viabilidade celular (citotóxicos) também foi identificado aumento na genotoxicidade. Além disso, três dos quatro nanomateriais não citotóxicos avaliados apresentaram efeitos genotóxicos. Estudos que visam detectar o potencial gentoxicológico de compostos são de extrema importância para definição de normas e regulamentações de aplicação e identificação dos riscos causados pela exposição. Nesse estudo, foram avaliados os efeitos toxicológicos e genotóxicos de diferentes compostos e misturas, com a utilização de técnicas tradicionais e modernas, in vitro ou por biomonitoramento humano, buscando compreender e determinar os riscos envolvidos na exposição a essas substâncias.

A teragnóstica de doenças tem sido extremamente marcada nos últimos anos por nanomateriais formados pela conjugação de nanopartículas a biomoléculas, pois a aplicação de tecnologias baseadas em materiais na dimensão nanométrica é capaz de aumentar a seletividade, sensibilidade e praticidade dos métodos atualmente empregados, ou mesmo criar novos métodos de diagnóstico e tratamento de doenças. Dentre os vários tipos de nanomateriais desenvolvidos, aqueles baseados em nanopartículas de ouro ou nanopartículas magnéticas apresentam propriedades químicas e físicas diferenciadas que propiciam novas possibilidades. Por exemplo, a presente tese demonstrou que nanopartículas superparamagnéticas são excelentes agentes de contraste em exames de imagem por ressonância magnética (IRM) por serem mais seguros, apresentarem melhor contraste nas imagens e possibilitarem direcionar/concentrar o material em tecidos ou tumores através de um gradiente de campo magnético aplicado. Foram feitos numerosos ensaios de toxicidade tanto in vitro quanto in vivo para assegurar a segurança da aplicação de nanopartículas no organismo, cujo potencial de uso somente se tornará uma realidade caso os nanomateriais se mostrem não tóxicos e biocompatíveis. Apesar dos significativos avanços na área da aplicação desses nanomateriais, não foram encontrados na literatura modelos capazes de explicar ou prever por quais sítios de ligação devem ocorrer as interações proteína-nanopartícula, como também não foram encontrados estudos sistemáticos acerca dos fatores que determinam a estabilidade e a funcionalidade dos nanobioconjugados (NBCs). Assim, nesta tese buscamos compreender os fatores responsáveis pela ligação/adsorção das proteínas nas nanopartículas de ouro e sua influência sobre a estabilidade das suspensões e a funcionalidade das proteínas. Desta forma, foram obtidos NBCs com propriedades adequadas para o desenvolvimento ou aprimoramento de ensaios de diagnóstico e até para o tratamento de doenças. Foi demonstrado o potencial das nanopartículas de ouro para melhorar a performance de imunoensaios do tipo ELISA, mas também podem ser utilizadas para o desenvolvimento de métodos de diagnóstico, explorando as propriedades plasmônicas das nanopartículas de ouro acopladas a técnicas como SERS, SPR e microscopia Raman confocal. / Theranostics has been intensively pursued in recent years using hybrid materials based on nanoparticles conjugated with biomolecules. This is an interesting strategy to increase the selectivity and sensitivity, as well as to improve the currently used methods facilitating their use or creating new ones. Among the various types of nanomaterials, those based on gold and magnetic nanoparticles exhibit interesting chemical and physical properties in the biological environment, differing from that of free drugs or current explored in assay methods. For example, superparamagnetic nanoparticles are excellent contrast agents for magnetic resonance image (MRI) diagnostics because they are safer, present a better contrast efficiency for imaging and can be magnetically accumulated in tissues or tumors using a magnetic field. Numerous in vitro and in vivo toxicity assays were performed to ensure the safety for medical applications. Clearly, these type of applications only will be realized if nanomaterials prove to be nontoxic and biocompatible. This imply an strict control on their structure and composition. However, despite the significant advances in the development of such nanomaterials, there were not found in the literature model systems explaining or that can be used to predict by which sites the protein-nanoparticle binding should take place. In addition, no systematic studies on the factors determining the stability and the functionality of nanobioconjugates (NBC) were found. Thus, this thesis is focused in unveiling the factors responsible for binding/adsorption of proteins on gold nanoparticles and their influence on the colloidal stability of hybrid nanoparticles suspensions while keeping the functionality of biomolecules. In fact, NBC with enhanced properties suitable for the development of diagnostic methods and even for treatment of diseases were obtained. These nanomaterials can improve the ELISA immunoassay, or other diagnosis methods can be developed by using the gold nanoparticles plasmonic properties in association with SERS, SPR and confocal Raman microscopy techniques.

A teragnóstica de doenças tem sido extremamente marcada nos últimos anos por nanomateriais formados pela conjugação de nanopartículas a biomoléculas, pois a aplicação de tecnologias baseadas em materiais na dimensão nanométrica é capaz de aumentar a seletividade, sensibilidade e praticidade dos métodos atualmente empregados, ou mesmo criar novos métodos de diagnóstico e tratamento de doenças. Dentre os vários tipos de nanomateriais desenvolvidos, aqueles baseados em nanopartículas de ouro ou nanopartículas magnéticas apresentam propriedades químicas e físicas diferenciadas que propiciam novas possibilidades. Por exemplo, a presente tese demonstrou que nanopartículas superparamagnéticas são excelentes agentes de contraste em exames de imagem por ressonância magnética (IRM) por serem mais seguros, apresentarem melhor contraste nas imagens e possibilitarem direcionar/concentrar o material em tecidos ou tumores através de um gradiente de campo magnético aplicado. Foram feitos numerosos ensaios de toxicidade tanto in vitro quanto in vivo para assegurar a segurança da aplicação de nanopartículas no organismo, cujo potencial de uso somente se tornará uma realidade caso os nanomateriais se mostrem não tóxicos e biocompatíveis. Apesar dos significativos avanços na área da aplicação desses nanomateriais, não foram encontrados na literatura modelos capazes de explicar ou prever por quais sítios de ligação devem ocorrer as interações proteína-nanopartícula, como também não foram encontrados estudos sistemáticos acerca dos fatores que determinam a estabilidade e a funcionalidade dos nanobioconjugados (NBCs). Assim, nesta tese buscamos compreender os fatores responsáveis pela ligação/adsorção das proteínas nas nanopartículas de ouro e sua influência sobre a estabilidade das suspensões e a funcionalidade das proteínas. Desta forma, foram obtidos NBCs com propriedades adequadas para o desenvolvimento ou aprimoramento de ensaios de diagnóstico e até para o tratamento de doenças. Foi demonstrado o potencial das nanopartículas de ouro para melhorar a performance de imunoensaios do tipo ELISA, mas também podem ser utilizadas para o desenvolvimento de métodos de diagnóstico, explorando as propriedades plasmônicas das nanopartículas de ouro acopladas a técnicas como SERS, SPR e microscopia Raman confocal. / Theranostics has been intensively pursued in recent years using hybrid materials based on nanoparticles conjugated with biomolecules. This is an interesting strategy to increase the selectivity and sensitivity, as well as to improve the currently used methods facilitating their use or creating new ones. Among the various types of nanomaterials, those based on gold and magnetic nanoparticles exhibit interesting chemical and physical properties in the biological environment, differing from that of free drugs or current explored in assay methods. For example, superparamagnetic nanoparticles are excellent contrast agents for magnetic resonance image (MRI) diagnostics because they are safer, present a better contrast efficiency for imaging and can be magnetically accumulated in tissues or tumors using a magnetic field. Numerous in vitro and in vivo toxicity assays were performed to ensure the safety for medical applications. Clearly, these type of applications only will be realized if nanomaterials prove to be nontoxic and biocompatible. This imply an strict control on their structure and composition. However, despite the significant advances in the development of such nanomaterials, there were not found in the literature model systems explaining or that can be used to predict by which sites the protein-nanoparticle binding should take place. In addition, no systematic studies on the factors determining the stability and the functionality of nanobioconjugates (NBC) were found. Thus, this thesis is focused in unveiling the factors responsible for binding/adsorption of proteins on gold nanoparticles and their influence on the colloidal stability of hybrid nanoparticles suspensions while keeping the functionality of biomolecules. In fact, NBC with enhanced properties suitable for the development of diagnostic methods and even for treatment of diseases were obtained. These nanomaterials can improve the ELISA immunoassay, or other diagnosis methods can be developed by using the gold nanoparticles plasmonic properties in association with SERS, SPR and confocal Raman microscopy techniques.