Moléculas de DNA (ácido desoxirribonucleico) na forma de uma única fita (ssDNA) ou na forma de uma dupla fita (dsDNA) interagem fortemente com nanotubos de carbono de parede única (SWNT) por meio de interações não covalentes. Em certas condições a molécula de DNA se auto-organiza em um enrolamento helicoidal em torno da estrutura tubular dos nanotubos, formando um híbrido DNA/SWNT muito estável e solúvel em água. Este sistema tem, recentemente, recebido grande atenção, pois, além de permitir a desagregação e a solubilização de SWNTs individuais em solução aquosa, os híbridos DNA/SWNTs são candidatos promissores para uma série de aplicações em nanotecnologia e biologia molecular. As possíveis aplicações para este sistema, todavia, requerem uma compreensão mais detalhada do mecanismo de interação entre a biomolécula e o SWNT, que ainda não está bem descrito na literatura. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo estudar a interação não covalente em meio aquoso de SWNTs com segmentos sintéticos de DNA que possuam número e seqüência de bases nitrogenadas definidos. Inicialmente os estudos se concentraram na interação de seqüências do tipo poli d(GT)n (com n= 10, 30 e 45), que contêm bases guanina e timina alternadas, cuja eficiência para dispersar e separar nanotubos de carbono já foi demonstrada. Além do tamanho das seqüências, foi também estudada para estes sistemas a influência da força iônica e do pH do meio. Posteriormente, foi investigada a interação de moléculas de DNA contendo apenas um tipo de base (homopolímeros de DNA) poli dA20, poli dT20, poli dC20 e da mistura poli dA20:dT20, seqüências até o início do estudo ainda não reportadas, em detalhes, na literatura. A maior parte dos estudos foi realizada com SWNTs de diâmetros pequenos (entre 0,7 - 1,2 nm), sintetizados pelo método HiPcoÒ. Em alguns estudos foram também investigados SWNTs de diâmetro em torno de 1,4 nm produzidos pelo métodos de ablação a laser e arco elétrico, sendo este último funcionalizado com grupos carboxila (-COOH) devido ao processo de purificação em ácido forte. A eficiência dos segmentos de DNA para dispersar SWNTs em água foi ainda investigada através de comparação com agentes dispersantes conhecidos, como dodecilsulfato de sódio (SDS), dodecilbenzenosulfanato de sódio (NaDDBS) e colato de sódio (NaC). Em relação ao sistema HiPco/d(GT)n foi demonstrado, pela primeira vez, que a força iônica é fator determinante na interação, existindo um valor mínimo para que ela ocorra. A partir de certa concentração de sal (NaCl), a agregação entre as biomoléculas é promovida, diminuindo a quantidade de nanotubos que pode ser colocada em suspensão. Através de medidas de absorção no UV-vis-NIR foi determinada a quantidade de NaCl ótima para os diferentes tamanhos de seqüência no pH fisiológico (pH=7,4). Através de medidas de dicroísmo circular (CD), foi demonstrado, pela primeira vez, que SWNTs induzem uma mudança clara da conformação dos oligômeros d(GT)n. Estes transitam da configuração com hélice no sentido horário (dextrógira), quando estão livres, para a configuração de hélice no sentido antihorário (levógira), após a interação com os tubos. Observamos que a conformação assumida pelas seqüências d(GT)n depende fortemente da presença de grupos químicos na superfície dos SWNTs e do potencial iônico do meio. Resultados de FT-IR, absorção no UV-Vis e CD indicaram que grupos carboxílicos ligados à superfície do SWNT orientam a organização da fita de d(GT)n de forma bem distinta daquela observada para os nanotubos sem funcionalidades. Para o sistema SWNT-COOH/d(GT)20 a mudança conformacional do sentido horário para o anti-horário só ocorreu depois da adição de HgCl2 ao sistema. Estes resultados alertam para as modificações das propriedades químicas de nanotubos de carbono submetidos a tratamentos drásticos de purificação. Para os homonucleotídeos, os resultados de CD também indicam mudanças na organização helicoidal das moléculas com pronunciada estruturação das hélices após a interação com os SWNTs. Medidas de eletroforese em gel demonstraram que o DNA apresentava-se na forma de fita dupla apenas no sistema poli dA20:dT20. Por medidas de absorção óptica, demonstramos que poli dA20:dT20 foi menos eficiente na obtenção de SWNTs em suspensão, o que sugere que a interação acontece preferencialmente com ssDNA. Também foi demonstrado neste estudo, por meio de medidas de espalhamento Raman ressonante e de absorção na região do IV próximo (NIR), respectivamente, que a interação com DNA provoca deslocamentos (DE) nas energias de transição óptica E11 de SWNTs metálicos e semicondutores maiores do que aqueles observados para os outros agentes dispersantes investigados. Os valores de DE para a transição E11 apresentaram relação com o diâmetro, aumentando à medida que o diâmetro dos tubos aumenta. Com as medidas feitas, não foram observadas, entretanto, evidências de transferência de carga do DNA para os nanotubos, como recentemente sugerido em um estudo teórico. / Single- and double-stranded DNA (deoxyribonucleic acid) molecules can strongly bind to single-walled carbon nanotubes (SWNT) via non-covalent interactions. Under certain conditions, the DNA molecule spontaneously self-assembles into a helical wrapping around the tubular structure of the carbon nanotubes to form DNA/SWNT hybrids, which are both stable and soluble in water. This system has recently received extensive attention, since, besides rendering SWNTs dispersable in water as individual tubes, the DNA hybrids are very promising candidates for many applications in nanotechnology and molecular biology. All the possible applications for DNA-SWNT hybrids require, however, a fully understanding of DNA-nanotube wrapping mechanism which is still lacking in the literature. In this context, the aim of this work was to investigate the non-covalent interaction in aqueous medium between SWNTs and synthetic DNA segments having a known nucleotide sequence. Initially, the study was focused on poly d(GT)n sequences (n = 10, 30 and 45) that contain a sequence of alternating guanine and thymine bases and for which the efficiency to disperse and separate carbon nanotubes has already been demonstrated. Besides the size of GT sequences, the effects of ionic strength and pH in the interaction were also investigated. Afterwards, we studied the interaction of SWNT with DNA molecules that contain only a single type of nitrogenous base (DNA homopolymers), which has not been reported in details in the literature. We investigated homopolymers of poly dA20, poly dT20, poly dC20 and the duplex poly dA20:dT20. Most of the study was carried out with small-diameter HiPcoÒ SWNTs (with diameters between 0.7 and 1.2 nm). In some studies, SWNTs with diameter around 1.4 nm, synthesized via laser ablation and arc-discharge methods, were also investigated. The arc-discharge nanotubes used in this study were functionalized with carboxylic groups (-COOH) due to their purification using strong acid solutions. The efficiency of DNA segments to disperse SWNT was further investigated through the comparison with known dispersant agents such as sodium dodecyl sulfate (SDS), sodium dodecylbenzene sulfonate (NaDDBS) and sodium cholate (NaC). Concerning to HiPco/d(GT)n system, it was demonstrated, for the first time, that the ionic strength plays an important role in the interaction, there being a minimum value below which the DNA wrapping does not take place. Above a certain NaCl concentration, the aggregation of biomolecules is promoted, decreasing the number of suspended nanotubes in the solution. Through optical absorption measurements, the optimal NaCl concentration at physiological pH (pH=7.4) was determined for each one of the sequences studied. By circular dichroim (CD) measurements, it was demonstrated, for the first time, that SWNTs induce a clear conformational change of d(GT)n oligomers. These sequences undergo a transition from the right-handed configuration (dextrorotatory), when they are free, to the left-handed one (laevorotatory), after the interaction with the tubes. We further demonstrate that the conformation assumed by the d(GT)n sequences is dependent on the chemical groups attached to the SWNT surfaces and the ionic strength. FT-IR, UV-Vis absorption and CD results suggest that carboxilic groups drive the poly d(GT)10 strand to assembly onto the carbon nanotube side-walls in a completely different way than do nanotubes without functionalization. For the SWNTCOOH/ d(GT)20 system, the change from right- to left-handed conformation was only observed after the addition of HgCl2. These results alert for the necessity to check the chemical properties of carbon nanotubes submitted to strong purification procedures. For homopolymeric single-stranded DNA molecules, the CD results also indicate pronounced changes on the helical organization upon interaction with SWNTs. Agarose gel electrophoresis study showed the presence of double-stranded DNA only in poly dA20:dT20 system. Through optical absorption measurements, it was also demonstrated that poly dA20:dT20 has the smallest dispersion efficiency, which provides strong evidence that DNA/SWNT interaction is more favorable for single-stranded DNAs. By using resonant Raman scattering and optical absorption in the near-red region, it was demonstrated that the interaction with DNA oligonucleotides causes shifts (DE) in the first set of optical transition energies (E11) for metallic and semiconducting SWNTs greater than those observed for the other dispersant agents. The DE values depend on the tube diameter, increasing with increasing SWNT diameter. However, any evidence for charge transfer between bases and the nanotube surface, as recently suggested in a theoretical study, could be observed.

O molibdênio é conhecido por seu efeito sinérgico na síntese de nanotubos de carbono (NCs) por deposição química da fase vapor (método CVD). Quando adicionado a catalisadores típicos como ferro, níquel e cobalto, mesmo em pequenas quantidades, ele tem a capacidade de aumentar o rendimento da obtenção dessas nanoestruturas. A presença do Mo tem influência também no tipo e número de paredes dos NCs formados. Embora o efeito seja amplamente documentado na literatura, ainda não se tem um consenso sobre como o molibdênio atua nos sistemas catalisadores. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo estudar a influência do molibdênio na atividade catalítica de catalisadores à base de nanopartículas de ferro suportadas em óxido de magnésio (sistema Fe/MgO) na síntese de nanotubos de carbono pelo método CVD. A concentração de Mo foi sistematicamente variada desde valores nulos até razões molares quatro vezes maiores do que a quantidade de Fe e os materiais obtidos (catalisadores e nanotubos de carbono), amplamente caracterizados por diferentes técnicas. Os sistemas catalisadores (Fe/MgO e FeMox/MgO) foram sintetizados por dois métodos diferentes: co-precipitação e impregnação, a fim de se estudar também a influência do método de preparação na composição final de fases dos sistemas catalisadores. Os maiores rendimentos de NCs foram observados para os catalisadores preparados via co-precipitação. A diferença foi atribuída à melhor dispersão das fases de Fe e Mo na matriz cerâmica dos catalisadores. Foi verificado que na etapa de precipitação ocorre a formação de hidróxidos duplos lamelares, cuja concentração aumenta com o teor de Mo até a razão Mo/Fe igual a 0,2. Esta fase está relacionada com uma melhor distribuição de Fe e Mo nesta faixa de concentrações. Outra característica importante observada é que a matriz cerâmica não é inerte, ou seja, ela é capaz de reagir tanto com o Fe quanto com o Mo, formando solução sólida de ferro no óxido de magnésio (Mg1-xFexO) e as fases ferrita de magnésio (MgFe2O4) e molibdato de magnésio (MgMoO4). A fase MgFe2O4 é observada em todos os sistemas catalisadores, enquanto a fase MgMoO4 somente é observada para os sistemas com razões Mo/Fe maiores do que 0,2. Apesar das diferenças entre os dois métodos de preparação, a influência do molibdênio foi praticamente a mesma nas duas séries de catalisadores estudadas. Em ambos os casos, observou-se que quanto maior a concentração de molibdênio, maior o rendimento da reação. Quando a concentração de Mo, entretanto, é muito maior do que a concentração de Fe, o rendimento da síntese de NCs diminui. Assim, os maiores rendimentos foram encontrados para a razão Mo/Fe igual a 1. É proposto que quando o molibdênio está presente em excesso, há formação de grandes aglomerados de Mo metálico que não catalisam a síntese dos NCs por CVD. Observou-se também que a presença do molibdênio leva à formação de estruturas de carbono de várias paredes (nanotubos de paredes múltiplas MWNT e estruturas do tipo bamboo-like), enquanto o ferro promove a formação preferencial de nanotubos de uma SWNT ou poucas paredes. Além de nanoestruturas de carbono e do MgO, foi verificada a formação de carbeto de ferro (Fe3C) e de carbeto de molibdênio (Mo2C) (nos catalisadores contendo Mo) em todas as amostras crescidas por CVD, sendo que a quantidade de Mo2C aumentou com o aumento do teor de Mo no catalisador. De acordo com os resultados obtidos e com base em dados da literatura, foi proposto que a atuação do Mo nos catalisadores estudados na síntese de nanotubos de carbono a partir de etileno e nas condições utilizadas neste trabalho ocorre em dois regimes distintos: 1) Sistemas catalisadores contendo somente Fe ou pequenas concentrações de Mo (Mo/Fe = 0; 0,02; 0,05 e 0,10): neste regime, parte das espécies contendo Mo associa-se às fases de Fe presentes nos catalisadores. Durante a decomposição do etileno, partículas de Fe associadas a Mo metálico ou ao carbeto de Mo são formadas. Essa associação leva à formação de NCs com mais paredes e maior grau de defeito. As partículas de ferro provenientes da fase ferrita de magnésio ou da solução sólida de Fe em Mg leva à formação de SWNTs e NCs de poucas paredes apenas; 2) Sistemas catalisadores contendo maiores concentrações de Mo (Mo/Fe = 0,20; 0,50 e 1,00 e 4,00): neste regime dois sítios catalíticos participam da formação de NCs. No primeiro sítio, nanopartículas de Fe provenientes da fase magnésio-ferrita e da solução sólida de ferro em magnésio catalisam a síntese de SWNTs ou NCs de poucas paredes. Já no segundo sítio, nanopartículas de Mo (provenientes da fase molibdato de magnésio), associadas ou não à nanopartículas de Fe, catalisam a formação de MWNTs e outras estruturas contendo multicamadas grafíticas. / Molybdenum is known for its synergistic effect in the synthesis of carbon nanotubes (CNs) by chemical vapor deposition (CVD method). When added to typical catalysts like iron, nickel, and cobalt, even in small quantities, it is increases the yield of these nanostructures. The presence of Mo also has an influence on the type and number of CN walls formed. Although this effect is widely documented in the literature, there is not yet a consensus about the mechanism of action of molybdenum in catalytic systems. The objective of the present work is to study the influence of molybdenum on the catalytic activity of iron nanoparticle-based catalysts supported on magnesium oxide (Fe/MgO system) in the synthesis of carbon nanotubes by the CVD method. The Mo concentration was systematically varied from null to molar ratio values four times greater than the quantity of Fe, and the obtained material (catalysts and carbon nanotubes) were broadly characterized by different techniques. In order to also study the influence of the preparation method on the final composition of the catalytic system phases, the catalytic systems (Fe/MgO e FeMox/MgO) were synthesized by two different methods: co-precipitation and impregnation. The greatest CN yields were observed for the catalysts prepared by coprecipitation. The difference was attributed to better dispersion of the Fe and Mo phases in the catalyst ceramic matrix. In the precipitation stage, it was observed the formation of layered double hydroxides whose concentration increased with the Mo content up to the ratio of Mo/Fe equal to 0.2. This phase is related to a better distribution of Fe and Mo in this concentration range. Another important characteristic observed is that the ceramic matrix is not inert. It can react both with Fe and Mo and form the iron solid solution in the magnesium oxide and the phases magnesium-ferrite (MgFe2O4) and magnesium molybdate (MgMoO4). The MgFe2O4 phase is observed in all catalytic systems, while the MgMoO4 phase is observed in systems with Mo/Fe ratios greater than 0.2. In spite of the differences between the two methods of preparation, the influence of molybdenum is practically the same in the two series of catalysts studied. In both cases, the reaction yield was directly proportional to the molybdenum concentration. When the Mo concentration, however, was much higher than the Fe concentration, the CN synthesis yield decreased. The highest yields, therefore, were found when the Mo/Fe ratio was equal to 1. We propose that excess molybdenum leads to the formation of Mo metallic agglomerates that do not catalyze the CN synthesis by chemical vapor deposition. We also observed that the presence of molybdenum brought about the formation of multi-walled carbon structures (multi-walled nanotubes MWNT and bamboo-like structures), while iron promoted the preferential formation of nanotubes with one SWNT or few walls. Besides carbon and MgO nanostructures, iron carbide (Fe3C) and molybdenum carbide (Mo2C) (catalysts containing Mo) were also formed in all of the samples grown with CVD, and the quantity of Mo2C increased with the increase in the Mo content in the catalyst. Based on the results obtained and the literature, two distinct regimes of action of Mo in the studied catalysts on the CVD carbon nanotubes synthesis from ethylene are proposed, when carried out in the conditions used in this work: 1) catalytic systems containing only Fe or small concentrations of Mo (Mo/Fe = 0, 0.02, 0.05, and 0.10). In this system, part of the Mo-containing species associate with the Fe phases present in the catalysts. During the decomposition of ethylene, Fe associates in particles with metallic Mo or Mo carbide. This association brings about the formation of MWNTs and carbon nanostructures with a higher degree of defects. The iron particles from the magnesium-ferrite phase or from the Fe solid solution in Mg bring about the formation of SWNTs and CNs with only a few walls. 2) Catalytic systems containing larger concentrations of Mo (Mo/Fe = 0.20, 0.50 and 1.00, and 4.00). In this system, two catalytic sites participate in the formation of CNs. In the first site, Fe nanoparticles from the magnesium-ferrite phase and the iron solid solution in Mg catalyze the synthesis of SWNTs or CNs with few walls. In the second site, Mo nanoparticles (from the magnesium molybdate phase), whether associated or not with Fe nanoparticles, catalyze the formation of MWNTs and other structures containing graphite multilayers.

Nenhuma / Desde que as singulares propriedades mecânicas e condutoras dos nanotubos de carbono (NCs) estão associadas a tubos individuais isolados, a dispersão e estabilização de seus feixes em diferentes líquidos são de extrema importância em estudos fundamentais e aplicados. Solventes do tipo amida são atualmente considerados os melhores candidatos, dentre os solventes orgânicos, à dispersão quantitativa dos feixes de nanotubos, sendo que a funcionalização das paredes dos tubos favorece essa dispersão em determinados meios. Amostras brutas de nanotubos de carbono são compostas por feixes contendo até centenas de tubos com distribuição em diâmetro, comprimento, quiralidade e caráter eletrônico, unidos por interações de van der Waals. Para a dispersão desses feixes, o potencial atrativo entre os tubos deve ser balanceado por um potencial repulsivo. Assim, o custo energético das interações nanotubosolvente, que depende fortemente da composição química da superfície dos tubos e das propriedades dielétricas do meio, precisa ser entendido. Teorias de solubilidade têm sido recentemente aplicadas no entendimento dos sistemas nanotubo-solvente. Nelas, a dispersão é favorecida quando os parâmetros de solubilidade do soluto e do solvente têm valores próximos. Nos parâmetros de Hansen, contribuições de energias dispersivas (dd), dipolares (dp) e de ligação de hidrogênio (dh) são consideradas nas interações intermoleculares. O parâmetro de Flory-Huggins (χ) estima a diferença de interação entre o soluto e o solvente, podendo ser expresso em termos dos parâmetros de Hansen. Neste trabalho, apresentamos um estudo sistemático da dispersão de nanotubos de carbono de parede única, como preparados e funcionalizados com grupos ácidos contendo oxigênio, em solventes do tipo amida. As interações nanotubos-solvente foram analisadas em termos dos parâmetros de solubilidade de Hansen e de Flory-Huggins. Por refluxo em solução de HNO3 diluída, quantidades similares (~ 0,3 mmol/g C) de grupos ácidos carboxílicos e hidroxílicos foram covalentemente introduzidos à superfície dos tubos, sem criar defeitos adicionais ou destruir tubos de diâmetros menores. Os materiais de partida e funcionalizado foram amplamente caracterizados por termogravimetria, microscopia eletrônica de varredura e transmissão, titulação potenciométrica e espectroscopias por dispersão de energia, Raman, na região do infravermelho e de fotoelétrons excitados por raios X. As dispersões obtidas por sonificação/centrifugação dos NCs, antes e após funcionalização, em N-metilpirrolidona (NMP), N,N-dimetilformamida (DMF), N,N-dimetilacetamida (DMA), Ndodecilpirrolidona (N12P) e ciclohexilpirrolidona (CHP) foram caracterizadas por espectroscopia de absorção óptica na região do ultravioleta-visível (UV-Vis). Em estudo de absorbância em função da concentração, foram estimados os limites de dispersão e os coeficientes de absorção dos nanotubos de carbono em cada solvente. A presença dos grupos funcionais aumentou a dispersabilidade dos tubos em NMP, DMF e DMA, mas diminuiu em N12P e CHP. Os coeficientes de absorção, entretanto, diminuíram para todos os solventes após oxidação, refletindo a diminuição da probabilidade da transição p-p* com a funcionalização e a interação com o solvente. Os parâmetros de solubilidade de Hansen e de interação de Flory-Huggins foram calculados para as amostras antes e após funcionalização, permitindo uma análise termodinamicamente quantitativa das interações intermoleculares nos sistemas estudados. Os valores dos parâmetros de Hansen obtidos para a amostra bruta foram dD = 18,0 MPa1/2, dP = 7,4 MPa1/2 e dH = 6,8 MPa1/2, enquanto aqueles para a amostra funcionalizada foram dD = 17,4 MPa1/2, dP = 12,0 MPa1/2 e dH = 9,2 MPa1/2. Em comparação com valores tabelados para os solventes, o parâmetro de energia dispersiva mostrou-se dominante na dispersão dos tubos não-funcionalizados, enquanto interações dipolares e ligações de hidrogênio exerceram uma maior influência na dispersão dos tubos funcionalizados com grupos oxigenados ácidos. Os parâmetros de interação de Flory-Huggins estimados mostraram que os sistemas com maior afinidade foram a amostra bruta dispersa no solvente CHP e a amostra funcionalizada dispersa nos solventes NMP, DMA e DMF.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Diversos estudos têm sido realizados utilizando proteínas e oligonucleotídeos adsorvidos em nanotubos de carbono para inúmeras aplicações como, por exemplo, em nanomedicina, catálise, biosensores etc. No entanto, os tipos de interações que ocorrem entre essas biomoléculas e os nanotubos de carbono, as quais certamente influenciam ou mesmo determinam o desempenho desses híbridos, ainda não estão bem entendidos. Esse entendimento é muitas vezes dificultado pela complexidade tanto da estrutura das biomoléculas (a estrutura secundária das proteínas e os diversos resíduos de aminoácidos e bases nitrogenadas contendo diferentes grupos funcionais), quanto da superfície dos nanotubos de carbono quimicamente processados. O presente trabalho aborda o estudo da interação não covalente entre a proteína ovalbumina (OVA) e o oligonucleotídeo CpG (sequência de bases T*C*G*T*C*G*T*T*T*T*G*T*C*G*T, onde * representa uma ligação do tipo fosforotioato) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNT), visando ao entendimento da atuação desse sistemas híbridos como nanocarreadores em formulações vacinais. Inicialmente, amostras de MWNT e MWNT oxidados (Ox-MWNT) foram caracterizadas por termogravimetria, espectrometria de energia dispersiva, espectroscopias Raman e no infravermelho (IV), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e titulação potenciométrica. O processo de purificação/oxidação adotado resultou em amostras com pureza de 88% em massa de nanotubos, contendo tubos de até 2 μm (após dispersos), com paredes pouco defeituosas e a superfície funcionalizada com 0,78 mmol.g-1 de grupos ácidos carboxílicos e 0,92 mmol.g-1 de grupos fenólicos. Foram obtidos quatro sistemas híbridos dispersos em solução aquosa, MWNT-OVA, Ox-MWNT-OVA, MWNT-CpG e Ox-MWNT-CpG, os quais foram caracterizados por espectroscopia Raman, no IV e no ultravioleta-visível, potencial Zeta (ξ), MET e dicroísmo circular. De maneira geral, os híbridos obtidos apresentaram alta estabilidade em meio aquoso e seletividade no sítio ligante. Enquanto o CpG interage com ambos MWNT e Ox-MWNT via empilhamento-π, a interação entre a OVA e os nanotubos parece ocorrer principalmente via empilhamento-π com o MWNT e ser dominada por um caráter eletrostático com o O-MWNT. A interação com os nanotubos de carbono altera a liberdade conformacional das biomoléculas estudadas, principalmente a OVA, tendo como consequência o enfraquecimento das ligações de hidrogênio na biomolécula e uma maior definição das bandas vibracionais associadas a cada uma das estruturas secundárias da proteína. / Several studies have been conducted using protein and oligonucleotides adsorbed onto carbon nanotubes for many applications such as nanomedicine, catalysis, biosensors etc. However, the types of interactions that occur between these biomolecules and carbon nanotubes, which certainly influence or even determine the performance of these hybrids, are not yet well understood. This understanding is often hindered by the complexity of both the structure of biomolecules (the secondary structure of proteins and several residues of amino acids and nitrogen bases containing different functional groups), and the chemically processed surface of the carbon nanotubes. Herein, we describe the non-covalent interaction between the protein ovalbumin (OVA) and oligonucleotide CpG (with specific bases sequence T * C * G * T * C * G * T * T * T * T * G * T * C * G * T, where * is a phosphorothioate bond) and multi-walled carbon nanotubes (MWNT), aimed at understanding the hybrid systems performance as nanocarriers for vaccine formulations. Firstly, MWNT and oxidized MWNT (Ox-MWNT) samples were characterized by thermogravimetry, energy dispersive spectrometry, Raman and infrared (IV) spectroscopies, transmission electron microscopy (MET) and potentiometric titration. The purification/oxidation process resulted in 88% purity samples by mass of nanotubes containing tubes up to 2 micrometers (after dispersed) with slightly defective walls and functionalized surface with 0.78 mmol.g-1 of carboxylic acidic groups and 0.92 mmol.g-1 of phenolic groups. We obtained four hybrids dispersed in aqueous solution, MWNT-OVA, Ox-MWNT-OVA, MWNT-CpG and Ox-MWNT-CpG, which were characterized by Raman, IV, circular dichroism and ultraviolet-visible spectroscopies, Zeta potential (ξ) and MET. All the hybrids obtained showed high stability in aqueous media and selectivity binding site. While CpG interacts with both MWNT and Ox-MWNT via π-stacking, the interaction between the nanotubes and the OVA seems to occur mainly via π-stacking with MWNT and be dominated by an electrostatic character with Ox-MWNT. The interaction with the carbon nanotubes alters the conformational freedom of biomolecules here studied, mainly the OVA, weakening of the intramolecular hydrogen bonds of biomolecule and a higher definition of the vibrational bands associated each one of the protein secondary structure.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, foi realizado um estudo sistematizado da funcionalização de NTs de múltiplas paredes (MWNT) com polietilenoglicóis (PEGs) de 2 e 5 kDa, objetivando à obtenção de amostras adequadas para futuras aplicações biológicas. Para a introdução das cadeias poliméricas, foi explorada a rota de acoplamento via carbodiimida, utilizando-se MWNTs carboxilados e PEGs contendo grupos aminas terminais. Para a ativação das carbonilas, empregaram-se os agentes de acoplamento N-etil-N-(dimetilaminopropil) carbodiimida (EDC) e N-hidroxisuccinimida (NHS), produzindo os intermediários EDC/NHS. Antes de estudar a funcionalização dos NT com os dois tipos de PEG-NH2, o acoplamento via carbodiimida foi testado usando a octadecilamina (ODA) como amina modelo, visando estabelecer as melhores condições reacionais. Partindo de uma amostra comercial de MWNTs já carboxilados (Nanocyl NC 3101), foi realizada uma etapa inicial de oxidação e de purificação do material empregando refluxos em soluções de peróxido de hidrogênio (H2O2) e hidróxido de sódio (NaOH) com o objetivo de garantir o acoplamento da molécula desejada aos NT e não nos resíduos a eles adsorvidos. Os materiais de partida, pré-tratados e funcionalizados, foram amplamente caracterizados por TG/DTG, análise titulométrica, potencial zeta, EDS, espectroscopia Raman, FTIR e microscopia eletrônica de transmissão. Essas caracterizações mostraram que embora a rota de oxidação/purificação empregada tenha sido efetiva para oxidar os defeitos e para remover os fragmentos poliaromáticos e carbono amorfo, ela provocou grandes danos à estrutura dos NT. Estes defeitos foram considerados como os principais fatores para o impedimento de uma reação de amidação bem sucedida. No estudo de funcionalização empregando a ODA, foi demonstrado que o tempo de formação do intermediário é um fator importante, tendo sido observado um aumento no número de grupos carboxílicos ativados com EDC/NHS com o aumento do tempo. A presença de mais sítios convertidos em ésteres reativos, entretanto, não implicou em um aumento na quantidade de ODA fixada, fato atribuído ao impedimento estérico causado pelos grupos ésteres de NHS, que dificultam a aproximação das moléculas da ODA. No estudo de funcionalização com o PEG foi evidenciado que o tamanho da cadeia de PEG altera a forma de fixação do polímero aos NT. Acredita-se que a adsorção aconteça por quimissorção (entre as carboxilas dos NT e grupos amina do PEG), quanto por fisissorção (interação da cadeia éter e dos grupos aminas terminais com a superfície dos NT). Para o PEG de menor tamanho de cadeia (2 kDa), o aumento do tempo de reação de 2 h para 18 h provoca alterações significativas, tais como o aumento da organização das macromoléculas dentro da estrutura dos NT, a maximização das interações entre NT e PEG e grande aumento na quantidade de fixação de PEG livre. Estas alterações não ocorrem para o PEG com cadeia mais extensa (5 kDa), a qual provavelmente requer um tempo bem maior para se organizar dentro da estrutura dos NT. Para ambos os casos, entretanto, foi constatado que o aumento no tempo de reação não leva a um aumento de PEG fixado por interações químicas, sendo a adsorção dominada pelas interações de van der Waals entre a superfície dos NT e as cadeias de PEG. Em todas as reações de funcionalização realizadas neste estudo, ocorreu um processo paralelo de purificação das nanopartículas metálicas, resultando em amostras com purezas superiores a 98% em termos de teor metálico. Os resultados deste estudo revelam que a PEGuilação de nanotubos de carbono pode ser realizada pela rota da carbodiimida, entretanto, o sucesso da funcionalização depende sobretudo da etapa de introdução dos sítios carboxilas na superfície dos NT. A carboxilação usando agentes oxidantes provoca a introdução desorganizada dos sítios reacionais, além de defeitos estruturais, que dificultam a funcionalização covalente. / This work reports on a systematic investigation of functionalization of multi-walled nanotubes (MWNT) with 2 and 5 kDa polyethylene glycols (PEGs) in an attempt to obtain samples suitable for future biological applications. The polymer chains were introduced by coupling via carbodiimide using carboxylated MWNT and PEG containing terminal amine groups. The carbonyl groups were activated using coupling agents N-ethyl-N-(dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) and N-hydroxysuccinimide (NHS), which produced intermediates EDC/NHS. Before investigating the functionalization of MWNTs with the two types of PEGNH2, the carbodiimide coupling was tested using octadecylamine (ODA) as a model amine seeking to establish the best reaction conditions. A pre-carboxylated commercial sample of MWNTs (Nanocyl NC3101) was oxidized and purified under reflux of hydrogen peroxide (H2O2) and sodium hydroxide (NaOH) solutions to ensure the coupling of the desired molecule to the MWNTs rather than to the residues adsorbed on them. The pre-treated and functionalized start materials were fully characterized by TG/DTG, acid-base titration, zeta potential, EDS, Raman spectroscopy, FTIR and transmission electron microscopy. The results demonstrated that despite the successful oxidation of the defects and removal of polyaromatic and amorphous carbon fragments, through the oxidation/purification route, the MWNT structure was greatly affected. The defects were the main hindrance to the successful amidation reaction. In the ODA functionalization, the time required for the formation of intermediates is a major factor. The number of carboxylic groups activated by EDC/NHS increased with the reaction activation time. However, the presence of sites converted into reactive esters did not lead to an increase in the amount of chemically bonded ODA due to steric hindrance by NHS ester groups. In the PEG functionalization study, it was evident that the length of the PEG chain affects its binding to MWNTs. Adsorption is thought to occur both by chemisorption between the MWNT carboxyl and the PEG amine groups and physisorption through the interaction of the ether chain and the terminal amines with the MWNT surface. In the case of the short-chain PEG (2 kDa), increasing the reaction time from 2 to 18 h produced significant changes, such as a greater macromolecule organization within the MWNT structure, maximization of the MWNT-PEG interactions and a great increase in the quantity of adsorbed free PEG, which were not observed for the long-chain PEG (5 kDa) since it probably requires a much longer time to get organized within the MWNT structure. However, the increase in the reaction time did not lead to an increase in the amount of chemically adsorbed PEG, van der Waals interactions between the MWNT surface and the PEG chains prevailing in both cases. The removal of metallic nanoparticles took place simultaneously with MWNT functionalization reactions in all the studied functionalization reactions, yielding samples with metal content purity higher than 98%. This study showed that the PEG functionalization of MWCT can be achieved through the carbodiimide route, however, the result depends mainly on the way the carboxyl sites are introduced onto the MWNT surface. Carboxylation with strong oxidizing agents leads to uncontrolled introduction of reactive sites, in addition to structural defects, which makes the covalent functionalization difficult.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os nanotubos de nitreto de boro (BNNTs) apresentam características atraentes para uma grande variedade de aplicações tecnológicas. Essas nanoestruturas são adequadas para o desenvolvimento de novos nanovetores para terapia celular, liberação controlada de princípios ativos, e outras aplicações biomédicas e clínicas. Neste trabalho, os BNNTs foram sintetizados a partir de um método similar ao de deposição química por vapor, e em seguida foram funcionalizados através de processos distintos, utilizando diversas moléculas biocompatíveis: polietileno glicol, quitosana, glicol quitosana, glicosamina, goma arábica e ácido fólico. A modificação das paredes do nanotubo foi feita através de recobrimento não covalente e também por meio de reações químicas de forma covalente. Cada sistema formado foi devidamente caracterizado com o objetivo de confirmar a natureza química do nitreto de boro e dos agentes funcionalizantes, e também a sua organização estrutural. As técnicas de caracterização utilizadas foram espectroscopia no infravermelho (FTIR), difração de raios-X (XRD), análise térmica (TGA), adsorção de N2, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espectroscopia de espalhamento dinâmico de luz (DLS), potencial zeta, espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS) e espectroscopia de fluorescência. Foram realizados ensaios de citocompatibilidade, por diferentes métodos, que revelaram que os BNNTs não apresentam citotoxicidade aparente em nenhuma das amostras até a concentração de 50 μg/mL. Através dos ensaios para transformação bacteriana foi constatado que os BNNTs atuam como facilitadores nas transformações realizadas com choque térmico. Foi demonstrado também que essas nanoestruturas exercem uma influência significativa na transfecção celular e na diferenciação de células tronco mesenquimais, aumentando a eficiência desses processos. Outros ensaios demonstraram que esses nanotubos são captados por células da linhagem HeLa e podem ser nanovetores úteis para a entrega de moléculas de interesse em locais específicos, e também para terapia de captura de nêutrons pelo boro. A auto-fluorescência apresentada pelos BNNTs permite a visualização dos mesmos no microscópio de fluorescência. O estudo in vivo com a nanoestrutura complexada com 99mTc determinou o perfil de biodistribuição, e mostrou que após atingir a circulação sistêmica o BNNT foi capturado principalmente no fígado, baço e tecidos intestinais, além de apresentar uma acumulação significativa na bexiga. / Boron nitride nanotubes (BNNTs) have attractive features for a wide variety of technical applications. These nanostructures are suitable for the development of new nanovetores for cell therapy, controlled release of active therapy, and others biomedical and clinical applications. In this work the BNNTs were synthesized from a method similar to chemical vapor deposition, and then were functionalized through different processes, using various biocompatible molecules: polyethylene glycol, chitosan, glycol chitosan, glucosamine, gum arabic and folic acid. The modification of the nanotube walls was performed by non-covalent coating and also through chemical reactions covalently. Each system formed was properly characterized in order to confirm the chemical nature of boron nitride and functionalizing agents, and also its structural organization. The characterization techniques used were infrared spectroscopy (FTIR), X- ray diffraction (XRD), thermal analysis (TGA), N2 adsorption, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), zeta potential, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and fluorescence spectroscopy. Cytocompatibility tests were carried out by different methods, which revealed that the BNNTs have no apparent cytotoxicity in any sample until the concentration of 50 mg/mL. Through the tests for bacterial transformation was found that BNNTs act as facilitators in the transformations performed with heat shock. It was also shown that these nanostructures have an extremely significant influence on the processes of cell transfection and differentiation of mesenchymal stem cells, increasing its efficiency. Other tests have shown that these nanotubes are captured by the HeLa cells and may be useful nanovectors for the delivery of molecules of interest in specific locations and also to boron.neutron capture therapy. The significant auto-fluorescence presented by BNNTs allowed its visualization through confocal microscopy The in vivo study with the nanostructure complexed with 99mTc determined the biodistribution profile, and showed that after reaching the systemic circulation BNNT was captured mainly in the liver, spleen and intestinal tissues, as well as presenting a significant accumulation in the bladder.

Nas ´ultimas d´ecadas, com o avanc¸o industrial e tecnol´ogico e a falta de cuidado no descarte dos res´ıduos t´oxicos gerados para o meio ambiente, como por exemplo, os metais pesados n´ıquel, c´admio, chumbo, crˆomio, cobre, merc´urio, zinco e manganˆes tem sido uma grande preocupac¸ ˜ao da sa´ude p´ublica quanto a exposic¸ ˜ao destes `a populac¸ ˜ao. Diante disto, propomos estudar atrav´es de simulac¸ ˜oes computacionais baseadas na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), utilizando o programa SIESTA, as interac¸ ˜oes dos metais Ni, Cd e Pb com o nanotubo de carbono (10,0) de parede ´unica (SWCNT), puro (SWCNT-P) e funcionalizado com os grupamentos orgˆanicos carboxila (SWCNT-COOH) e hidroxila (SWCNT-OH), com o intuito de sugerir estes nanomateriais como filtros e sensores destes metais. A primeira investigac¸ ˜ao se baseou no estudo das mudanc¸as das propriedades estruturais e eletrˆonicas do SWCNT-P ap´os as funcionalizac¸ ˜oes. Neste estudo, constatamos alterac¸ ˜oes nas distˆancias de ligac¸ ˜ao e distorc¸ ˜ao do nanotubo ap´os as funcionalizac¸ ˜oes, evidenciando uma funcionalizac¸ ˜ao de car´ater covalente. O estudo das propriedades eletrˆonicas para o SWCNT-COOH mostrou, atrav´es da estruturas eletrˆonica de bandas, que a funcionalizac¸ ˜ao provocou a induc¸ ˜ao da polarizac¸ ˜ao de spin (n˜ao observada para o SWCNT-P) e uma reduc¸ ˜ao significativa no gap. Para o SWCNT-OH, n˜ao houve a induc¸ ˜ao da polarizac¸ ˜ao de spin, por´em houve uma mudanc¸a no car´ater da condutividade de semicondutor para met´alico. Ap´os isso, realizamos o estudo das interac¸ ˜oes dos metais com os nanotubos. Os metais Ni e Pb foram quimiossorvidos em todos os nanotubos. J´a o Cd s´o foi quimiossorvido no SWCNT-OH. Atrav´es das energias de ligac¸ ˜ao observamos que as funcionalizac¸ ˜oes aumentaram a reatividade do nanomaterial, por´em isso dificulta a reutilizac¸ ˜ao do mesmo. Diante disso, quando o interesse ´e reutilizar o material utilizado como filtro, sugerimos o SWCNT-P, j´a que o mesmo apresentou baixas energias de ligac¸ ˜ao com os metais. O estudo das propriedades eletrˆonicas dos sistemas resultantes foi atrav´es das estruturas eletrˆonica de bandas, da densidade de estado total (DOS), da densidade de estado (projetada) parcial (PDOS), do c´alculo do momento magn´etico resultante, do c´alculo das transferˆencia de cargas e do estudo do mapa de contorno da densidade eletrˆonica. Atrav´es das estruturas eletrˆonica de bandas, vimos que o car´ater da adsorc¸ ˜ao influenciou diretamente nas propriedades eletrˆonicas, pois quando o Cd foi fisiossorvido poucas modificac¸ ˜oes foram observadas. A partir de todos estes c´alculos o nanotubo que apresentou uma maior sensibilidade na condutividade para os trˆes metais foi o SWCNT-OH e o que apresentou maior seletividade no car´ater magn´etico foi o SWCNT-COOH. Assim, os nanotubos funcionalizados s˜ao os mais adequados para construc¸ ˜ao de dispositivos para sensoriamento destes metais. / In recent decades, technological and industrial advances and lack of care in the disposal of toxic waste generated for the environment, such as, heavy metals nickel, lead, cadmium, chromium, copper, mercury, zinc and manganese has been a great concern of public health as exposure to the population of these. Given this, we propose to study through computer simulations based on Density Functional Theory (DFT), using the SIESTA code, he interactions of metals Ni, Cd and Pb with carbon nanotubes (10,0) single-walled (SWCNT), pure (SWCNT-P) and functionalized with organic grouping carboxyl (SWCNT-COOH) and hydroxyl (SWCNTOH) in order to suggest nanomaterials such as filters and sensors of these metals. The first investigation was based on the study of changes of structural and electronic properties in the SWCNT-P after functionalization. In this study, we observed changes in bond distances and distortion tubes after functionalizations, showing a functionalization of covalent character. The study of the electronic properties for SWCNT-COOH showed through electronic band structure, the functionalization provoked an induction of polarization of spin (not observed for the SWCNT-P) and a significant reduction in gap. For the SWCNT-OH there was no induction polarization of spin, however there were a change in the character of the conductivity of semiconducting to metallic. After that, we study the interactions of metals with nanotubes. The metals Ni and Pb were chemisorbed nanotubes. Already Cd was only quimiossorvido in SWCNT-OH. Through the binding energies we observed that functionalizations increased reactivity of the nanomaterial, but this makes it difficult to reuse the same. Therefore, when the interest is to reuse the material used as a filter, we suggest the SWCNT-P, since it showed low binding energies with metals. The study of the electronic properties of the resulting systems was through the electronic band structure, the total state density (DOS), state density partial(projected) (PDOS), calculation of the resulting magnetic moment, of charge transfer and study of contour map of electron density. Through the electronic band structures, we saw that the character of adsorption directly influence the electronic properties, because when the Cd was fisisorbed few modifications were observed. From all these calculations the nanotube which showed greater sensitivity in conductivity for the three metals was SWCNT-OH and with the highest selectivity in magnetic character was SWCNT-COOH. Thus, the nanotubes functionalized are best suited for the construction of devices for sensing these metals. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

Nanotubos de carbono de acesso restrito (RACNTs) foram sintetizados e empregados como adsorventes para a extração/pré-concentração de Pb²+ diretamente de amostras de soro humano. Os RACNTs desenvolvidos foram capazes de excluir 100% das proteínas das amostras além de apresentarem boa capacidade de extrair/pré-concentrar íons Pb²+. As propriedades de superfície do material foram avaliadas por microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS), estudos de cinética de adsorção e estudos de exclusão de proteínas. O material permitiu o desenvolvimento de um novo método para determinação direta de Pb²+ em amostras de soro humano, usando extração/pré-concentração em fase sólida “on-line” acoplado a técnica espectrometria de absorção atômica com nebulização térmica em tubo metálico aquecido na chama (TS-FF-AAS). Em condições experimentais otimizadas, o limite de detecção do método foi de 2,1 µg.L-¹ com fator de enriquecimento de 5,5 e a precisão inter e intra dias foram menores que 8,1% (RSD). Os ensaios de exatidão apresentaram recuperações entre 89,4 a 107,3% na extração direta de Pb²+ das amostras de soro humano sem qualquer tratamento prévio. O material disposto na coluna pode ser usado por mais de 200 extrações sequenciais em amostras de soro humano, sem perda de sua capacidade de exclusão de proteínas e extração de Pb²+. / Restricted access carbon nanotubes (RACNTs) were synthesized and used as sorbent for the Pb²+ extraction/preconcentration directly from human blood serum samples. The RACNTs were able to exclude 100% of the protein percolated through it, as well as to extract/pre-concentrate Pb²+. The surface properties of the material were evaluated by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), adsorption kinetics studies and studies of excluded proteins. The material allowed the development of a novel method for direct Pb²+determination in human serum samples using an “on-line” solid phase extraction system coupled to thermospray flame furnace atomic absorption spectrometry (TS-FF-AAS). In the optimized experimental conditions, the detection limit was 2.1 mg L-¹ with an enrichment factor of 5.5. The inter-and intra-day precisions for Pb²+ were less than 8.1% (RSD). The accuracy tests showed recoveries between 89.4 and 107.3% for the direct extraction of Pb²+ from blood serum sample, without any pretreatment. The material disposed in the column can be used for more than 200 sequential extractions in human serum samples, with no loss of protein capacity exclusion extraction and Pb² +.

A crescente demanda mundial por energias fez com que as atenções se voltassem ao gás (metano). Entretanto, o nível de impurezas é bastante elevado em algumas jazidas, inviabilizando a sua exploração. No sentido de estudar processos de purificação de gás natural, este trabalho apresenta os estudos iniciais do processo de purificação via adsorção seletiva em nanotubos de carbono (CNT). Neste aspecto foi estudada a adsorção seletiva de mistura gasosa equimolar de metano e água sobre nanotubos de carbono por simulação computacional. Dentre as diversas técnicas de simulação foi utilizada a dinâmica molecular. Estudou-se o processo de adsorção em três diferentes tipos de configuração superficial: sem qualquer dopante, dopado com átomos de lítio e dopado com íons lítio. Foi verificado que independente do dopante usado, as moléculas de água adsorvem-se na forma de camadas concêntricas ao CNT. Dentre o três tipos analisados, o CNT dopado com íons de lítio apresentou o maior grau de seletividade e a maior quantidade de água adsorvida. Foi determinado o calor isostérico do processo de adsorção de água na mistura gasosa com metano. Este valor (~ -41,5 kJ/mol) é bastante próximo do valor experimental (-40,7 kJ/mol), que está relacionado à entalpia de condensação da água.

Biomateriais nanoestruturados são promissores pelo fato de apresentarem similaridades com componentes nanoestruturados de matriz extracelular. Nanotubos de carbono de múltiplas paredes verticalmetne alinhados (VACNT) possuem um grande potencial para aplicações biomédicas devido as suas propriedades únicas, tais como, condutividade elétrica, alta estabilidade química, alta resistência mecânica e facilitação para incorporação de grupos funcionais para produção de arcabouços para sustentação celular. Compósitos à base de VACNT e hidroxiapatita (HA) são buscados com o objetivo de aplicações ósseo-regenerativas, devido à suas propriedades bioativas. Os objetivos desse trabalho são: (1) produção e caracterização de filmes de VACNTs através da técnica de CVD assistida por microondas; (2) obtenção e caracterização de filmes de VACNT superhidrofílico (VACNT-O2) utilizando a técnica de funcionalização a plasma de oxigênio; (3) caracterização biológica dos VACNT-O2; (4) obtenção de compósitos de HA/VACNT-O2 para aplicações ósseo-regenerativas e (5) estudo do processo de biomineralização in vitro e in vivo dos compósitos de HA/VACNT-O2. Como resultados foram identificados que o controle da superhidrofilicidade é fundamental para: (1) acelerar as ligações celulares estimulando a proliferação, e consequentemente, formando rapidamente monocamadas celulares, se comparados às superficies hidrofóbicas; (2) a produção de nanocompósitos de HA/VACNT-O2, que aceleram o processo de biomineralização in vitro e in vivo, sendo estes fatores essenciais para produção de nanobiomateriais, visando aplicações ósseo-regenerativas.