Análise Interdisciplinar das Oportunidades e Riscos

Análise Interdisciplinar das Oportunidades e
Riscos Associados às Nanociências e
Nanotecnologias
Mitzi Hass Wakamatsu
Dissertação apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em
Nanociências e Materiais Avançados
da Universidade Federal do ABC
para obtenção do título de Mestre em
Nanociências e Materiais Avançados
Programa de Pós-graduação em Nanociências e
Materiais Avançados
Orientador: Prof. Dr. Rafael Salomão
Santo André, outubro de 2009
Análise Interdisciplinar das Oportunidades e
Riscos Associados às Nanociências e
Nanotecnologias
Este exemplar corresponde à
redação final da dissertação
devidamente corrigida e defendida
por Mitzi Hass Wakamatsu e
aprovada pela Comissão Julgadora.
Banca Examinadora:
• Prof. Dr. Rafael Salomão (orientador) - UFABC.
• Prof. Dr. Peter A. B. Schulz - IFI-Unicamp.
• Prof. Dr. Ana Keila M. Pinezi - UFABC.
Trabalhos Apresentados em
Congressos
• Artigo: Ceramic nanoparticles: What else do we have to know?
International Ceramic Review (Interceram), 59(2010)[1], pp. 28-33
Autores: Wakamatsu, M.H. e Salomão, R.
• 53o Congresso Brasileiro de Cerâmica, 2009. Apresentação: Nanopartículas cerâmicas: o que mais precisamos saber? Autores:
Wakamatsu, M.H. e Salomão, R.
• Workshop Nanotecnologia na América do Sul: Desenvolvimento e
Implicações Sociais, 2009. Nanotecnologia: Há riscos? Autores:
Wakamatsu, M.H. e Salomão, R.
• VII Encontro da SBPMat, 2008. Ethical Aspects of Nanotechnology in Materials Science and Engineering: an Overview. Autores:
Wakamatsu, M.H. e Salomão, R.
i
Agradecimentos
Ao Prof. Dr. Rafael Salomão, pela orientação, disposição
e paciência.
À UFABC, pela infraestrutura e pelo suporte financeiro,
bem como à CAPES.
À minha família, pela compreensão e apoio incondicional.
Aos colegas que se tornaram grandes amigos, Christiane
Davi, Aline Schoenhalz e Cleiton Maciel, que contribuíram
com muitas discussões técnicas e amenas, além da grande
ajuda tecnológica (EndNote e LATEX).
A grande vantagem em participar de um programa multidisciplinar, principalmente em um trabalho sobre interdisciplinaridade, foi ter a oportunidade de interagir com pessoas
das mais diversas áreas, buscando aprender um pouco sobre assuntos diferentes da minha formação, o que se tornou
um prazeroso desafio. Além da grande ajuda dos colegas de
outros programas da UFABC que trouxeram contribuições
importantes na física, materiais e em áreas da saúde e humanas, durante o trajeto do mestrado pude conhecer pessoas de
outras instituições, tanto de dentro como de fora do Brasil,
que trouxeram novas perspectivas e ideias. Agradeço particularmente aos colegas das áreas de ciências humanas e sociais
pela colaboração em assuntos que eu nem imaginava existir,
antes de iniciar o mestrado.
ii
Dedicatória
À minha filha, Isabelle e ao meu marido, Stephan.
iii
Epígrafe
“Muitas pessoas veem a tecnologia como o problema por trás
da chamada fronteira digital. Outros a veem como a solução.
Tecnologia não é nada disso. Ela deve operar em conjunto
com as empresas e os sistemas econômico, político e social.”
Carly Fiorina
iv
Resumo
Os termos Nanociências e Nanotecnologias (NC&NT) referem-se às
áreas do conhecimento relacionadas aos fenômenos observados em diferentes classes de materiais que ocorrem quando suas geometrias possuem
dimensões da ordem nanométrica (utiliza-se como limite prático para
esse fim valores da ordem de 100 nm ou 10−9 m). Esses fenômenos são
caracterizados por mudanças significativas nas suas propriedades e características de materiais em relação aos mesmos materiais em escala nãonanométrica (micro ou macroscópica), levando a diversas aplicações com
base nos conceitos de NC&NT e resultando em desempenhos superiores
às tecnologias atuais e em rápido e crescente avanço. No entanto, esse
ritmo de desenvolvimento não permite que suas implicações, muitas delas
potencialmente nocivas, sejam adequadamente investigadas, gerando diversas questões éticas. Este trabalho propõe uma investigação interdisciplinar para avaliar esses novos desenvolvimentos em diferentes contextos,
com base em uma revisão crítica de diversos trabalhos e patentes publicados nas áreas de estudos em NC&NT. Essa análise é fundamentada e
aplicada a análises críticas envolvendo nanopartículas de prata (AgNPs)
e argila em nanocompósitos poliméricos.
Palavras-chave: nanociências, nanotecnologia, interdisciplinaridade, riscos.
v
Abstract
The terms NC&NT refer to areas of knowledge related to phenomena
observed in different classes of materials that occur when their geometries have nanometric dimensions (a practical limit for this purpose is
represented by 100 nm or 10−9 m). These phenomena are characterized
by significant changes in the properties and characteristics for the same
materials on a non-nanoscale (micro or macroscale), leading to various
applications based on the concepts of NC&NT, often resulting in superior
performance compared to current technologies. Futhermore, this novel
area represents a fast-growing and promising field. However, this pace
of development does not allow its implications, many of them potentially harmful, to be properly investigated, bringing several ethical issues
to light. This work proposes an interdisciplinary research to evaluate
these new developments in different contexts, based on a critical review
of several papers and patents published in the areas of study in NC&NT.
This analysis is applied to critical analysis involving silver nanoparticles
(AgNPs) and polymer clay nanocomposites.
Keywords: nanoscience, nanotechnology, interdisciplinarity, risks.
vi
Sumário
Trabalhos Apresentados em
Congressos
i
Agradecimentos
ii
Dedicatória
iii
Epígrafe
iv
Resumo
v
Abstract
vi
Lista de Abreviaturas
x
Lista de Figuras
xi
Lista de Tabelas
xii
1 Aplicações e perspectivas
1.1 Nanotecnologia em medicina . . . . . . . .
1.2 Nanotecnologia em alimentos e agricultura
1.3 Nanotecnologia em aplicações militares . .
1.4 Nanotecnologia em têxteis . . . . . . . . .
1.5 Células combustíveis . . . . . . . . . . . .
1.6 Células solares . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Nanotecnologia e meio ambiente . . . . . .
1.8 Nanotecnologia e eletrônica . . . . . . . .
1.9 Considerações gerais . . . . . . . . . . . .
5
5
8
10
11
14
15
17
20
21
vii
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SUMÁRIO
viii
2 Metodologia
23
3 Interdisciplinaridade em NC&NT
3.1 Conceito de Interdisciplinaridade . . . . . . . . . . . . .
3.2 Barreiras à Abordagem Interdisciplinar . . . . . . . . . .
3.3 Interdisciplinaridade: O caso das NC&NT . . . . . . . .
25
25
27
29
4 Implicações éticas e regulamentação
4.1 Conceito de Risco . . . . . . . . . . . .
4.2 Ética . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Regulamentação da NT . . . . . . . . .
4.4 Política de NC&NT na América Latina
31
31
32
35
38
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5 Revisão crítica:
Nanopartículas de prata
5.1 Histórico da Toxicidade da Prata . . . . . . . . . . . . .
5.2 Concentrações de prata no mundo . . . . . . . . . . . . .
5.3 Como a prata se combina a outros elementos . . . . . . .
5.4 Destino e efeito da prata no meio ambiente . . . . . . . .
5.5 Potenciais riscos da prata no meio ambiente e na saúde
humana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6 Análise interdisciplinar . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 Revisão crítica:
Uso de nanocompósitos polímero/argila
6.1 Aplicação da nanoargila como agente reforçante em compósitos poliméricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Compatibilização das argilas com polímeros . . . . . . .
6.3 Aplicações de NCs de argila . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4 Uso de nanoargila em embalagens alimentícias . . . . . .
6.5 A validade de alimentos embalados . . . . . . . . . . . .
6.6 Migração em embalagens alimentícias . . . . . . . . . . .
6.7 Nanorevestimentos em alimentos . . . . . . . . . . . . . .
6.8 Embalagens inteligentes com nanosensores . . . . . . . .
6.9 Embalagens ativas para proteção de alimentos . . . . . .
6.10 Análise interdisciplinar . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
44
46
48
49
50
54
55
55
58
60
64
64
65
70
71
71
73
SUMÁRIO
Referências Bibliográficas
ix
76
Lista de Abreviaturas
AgNP
ANVISA
CLIO
CMOS
CNPq
COV
CTNBio
DLFC
DMFC
EPA
EVOH
F13-CLIO
LDPE
MCT
MMT
NC
NC&NT
NP
NTC
OGM
oMMT
P&D
PCL
PE
PEM
PET
PL
PLA
ppb
pptr
PSB-SP
PV
RMI
TSCA
Nanopartículas de prata
Agência Nacional de Vigilância Sanitária
Dextran-coated caged iron oxide particle
Complementary metal-oxide-semiconductor
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
Compostos Orgânicos Voláteis
Comissão Técnica Nacional de Biossegurança
Direct Liquid Fuel Cell
Direct Methanol Fuel Cell
Environment Protection Agency
Etileno vinil álcool
FXIIIa-sensitive iron oxide - dextran-coated caged iron oxide particle
Polietileno de baixa densidade
Ministério da Ciência e Tecnologia
Montmorilonita
Nanocompósito
Nanociências & Nanotecnologia
Nanopartículas
Nanotubos de Carbono
Organismos Geneticamente Modificados
Montmorilonita organicamente modificada
Pesquisa & Desenvolvimento
poli(e-caprolactana)
Polietileno
Proton-exchange-membrane
Polietileno tereftalato
Projeto de Lei
Ácido polilático
Partes por bilhão
Partes por trilhão
Partido Socialista Brasileiro São Paulo
Partido Verde
Ressonância Magnética por Imagem
Toxic Susbtances Control Act
x
Lista de Figuras
1.1
4.1
6.1
6.2
6.3
6.4
Esquema da variação da concentração de um fármaco administrado na forma convencional e utilizando entrega controlada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Tendência em publicações NT. Fonte: Análise da Georgia
Tech das publicações globais em nanotecnologia (Adaptado de Kay and Shapira, 2009). [1] . . . . . . . . . . . .
40
Representação pictórica de um compósito. . . . . . . . .
Adição de surfactante em argila monocatiônica, gerando
um maior espaço entre lamelas. . . . . . . . . . . . . . .
Individualização das lamelas de argila (necessária para facilitar a exfoliação). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Caminho tortuoso de um permeante em um nanocompósito de argila (Adaptado de Adame & Beall, 2009) [2] . .
xi
55
59
59
60
Lista de Tabelas
1.1
1.4
Produtos em nanoescala utilizados comercialmente na indústria têxtil. [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Perspectivas de aplicação de nanotecnologia em tecidos [4]
Empresas que comercializam células combustíveis com nanotecnologia aplicada [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nanomateriais utilizados em células solares [6] . . . . . .
3.1
3.2
Diferenças entre multi- e interdisciplinaridade. . . . . . .
Barreiras à interdisciplinaridade. . . . . . . . . . . . . . .
26
28
4.1
4.2
Exemplos de riscos relacionados a conceitos. . . . . . . .
Tendência em patentes em NT. (Adaptado de Kay and
Shapira, 2009) [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
P&D em Nanotecnologia e aspectos relacionados à economia, população, ciência e tecnologia para Brasil, Argentina, Chile e Uruguai comparados a países de referência
(países classificados por rendimento per capita). (Adaptado de Kay and Shapira, 2009) [1]. . . . . . . . . . . . .
32
1.2
1.3
4.3
6.1
6.2
6.3
6.4
Patentes alemãs que fazem uso da nanotecnologia no setor
de alimentos (Adaptada de Kühling, 2008) [7]. . . . . . .
Patentes alemãs que utilizam nanotecnologia em embalagens de alimentos (Adaptada de Kühling, 2008) [7]. . . .
Patentes alemãs para revestimentos em máquinas processadoras de alimentos (Adaptada de Kühling, 2008) [7]. .
Patente alemã para outros tipos de revestimentos em contato com alimentos (Adaptada de Kühling, 2008) [7]. . .
xii
12
12
16
17
41
42
66
67
68
69
LISTA DE TABELAS
6.5
Embalagens com nanosensores em desenvolvimento (Adaptada de Kühling, 2008) [7]. . . . . . . . . . . . . . . . . .
xiii
72
Introdução
Os termos Nanociências & Nanotecnologia (NC&NT) referem-se às
áreas do conhecimento relacionadas aos fenômenos observados em diferentes classes de materiais que ocorrem quando suas geometrias possuem
dimensões da ordem nanométrica (utiliza-se como limite prático para esse
fim o valor de 100 nm ou 10−9 m). Esses fenômenos são caracterizados por
mudanças significativas em suas propriedades e características em relação
aos mesmos materiais em escala macroscópica, causadas pelos chamados
efeitos de superfícies. Os efeitos de superfície ocorrem quando um certo
material é reduzido (ou produzido) a dimensões sub micrométricas e importantes variações em suas propriedades físico-químicas passam a ser
observadas. Essas variações ocorrem principalmente em razão da grande
área de superfície que esses materiais apresentam e consequentemente à
grande quantidade de átomos com ligações insatisfeitas ou modificadas
em relação às existentes no material em sua forma macroscópica. Entre as
mudanças de propriedades que podem ser observadas, destacam-se a redução da energia de ativação para a maioria dos processos físico-químicos
(menores temperaturas de fusão e reação, por exemplo), variações significativas nas propriedades eletromagnéticas (isolantes elétricos passam
a se comportar como semicondutores e semicondutores como isolantes),
processos difusivos muito rápidos e pouco dependentes da temperatura,
1
estabilização de fases metaestáveis por meio de barreiras cinéticas e novos hábitos cristalinos, entre outras [8]. Como consequência dessas novas
propriedades, diferentes aplicações têm sido produzidas atualmente com
base nos conceitos de NC&NT, várias delas com desempenho muitas vezes superior às tecnologias atuais.
Comparada às outras revoluções científicas e tecnológicas ocorridas na
história da humanidade (principalmente a revolução científica dos séculos
XVI e XVII; industrial, no fim do século XIX; e tecnológica, na segunda
metade do século XX), os avanços obtidos e o potencial para geração de
danos e dilemas éticos produzidos pelo desenvolvimento das NC&NT’s
ocorrem em grande velocidade. A geração de conhecimento e produtos
de alta tecnologia baseados em NC&NT tem como causa principal, além
da grande quantidade de conhecimento acumulada ao longo de gerações
anteriores, a perspectiva de manipulação da matéria ao nível atômico
e molecular. Devido a isso, criou-se a inédita possibilidade de se prever, projetar e produzir materiais e objetos com propriedades desejadas,
sem as limitações normalmente impostas pelas técnicas convencionais.
No entanto, os mesmos fatores que contribuem para o desenvolvimento
tecnológico também sugerem que, junto com os grandes benefícios introduzidos por esses novos conhecimentos, riscos e dilemas igualmente
danosos também possam ser gerados.
Nota-se que no caso da NC&NT o desenvolvimento de novos produtos e processos baseia-se principalmente na assimilação de conhecimento
prévio amplamente divulgado por meio das publicações científicas, sem
necessariamente desenvolvê-lo a partir do início, e com pouca (ou mesmo
nenhuma, em alguns casos) necessidade de equipamentos sofisticados ou
2
de matérias-primas controladas por autoridades (é o caso do urânio enriquecido como combustível em reatores nucleares). Dessa forma, é possível que novos produtos sejam criados, patenteados, vendidos, utilizados
e descartados sem que as potenciais danosas consequências ao meio ambiente e à saúde humana tenham sido totalmente investigadas.
Cita-se como exemplo desse cenário a ampla difusão do uso de nanopartículas de prata em diferentes produtos, como tecidos, embalagens,
eletrodomésticos, suportes catalíticos e medicamentos. Produzida em
escala nanométrica por vários métodos conhecidos há várias décadas,
a prata possui forte atividade superficial podendo agir como poderoso
agente catalítico para diferentes reações. Além disso, devido à pequena
quantidade de material empregada para revestir uma superfície, suas
propriedades bactericidas podem ser empregadas na auto esterilização
de diversos objetos como roupas e alimentos a custos bastante competitivos. No entanto, apesar de diversos trabalhos apontarem para o potencial
tóxico dessas nanopartículas quando acumuladas no organismo ou meio
ambiente, pouca ou nenhuma regulamentação por parte dos órgãos de vigilância sanitária tem sido realizada nesses produtos. No Brasil, o edital
MCT/CNPq no 013/2004 foi o único até março de 2007 que apoiou estudos de avaliação dos impactos sociais, ambientais, econômicos, políticos,
éticos e legais do desenvolvimento da nanotecnologia no Brasil, e mesmo
assim apenas compreendendo os estados de São Paulo, Minas Gerais e o
Distrito Federal [9].
Esses pontos e a observação histórica de outros exemplos de uso indevido do conhecimento científico (como bombas atômicas) sugerem que,
no caso das NC&NT, ainda há tempo para uma avaliação dos potenciais
3
riscos que envolvem essa área. Para que essa avaliação seja efetiva, deve
possuir um caráter intrinsecamente interdisciplinar, isto é, levando em
conta aspectos éticos, legais, científicos e técnicos, de forma integrada e
colaborativa. A proposição de uma análise interdisciplinar para que essa
avaliação possa ser empregada inicialmente no Brasil, considerando-se
suas características regionais e culturais, é o objetivo deste trabalho.
4
Capítulo 1
Aplicações e perspectivas
As NC&NT podem promover aplicações únicas, com possibilidades
que se estendem às mais diversas áreas. A seguir, algumas destas aplicações serão comentadas, bem como as perspectivas de aplicações futuras,
para que, desta forma, uma análise das implicações nos mais diversos
âmbitos seja traçada.
1.1
Nanotecnologia em medicina
As aplicações conhecidas como “drug delivery”, baseadas na liberação controlada de fármacos, envolvem a identificação de alvos precisos
para entrega de agentes farmacêuticos, terapêuticos e de diagnóstico a
células e receptores, relacionada a condições clínicas específicas e à escolha de nanotransportadores apropriados a fim de se atingir respostas
desejadas com um mínimo de efeitos colaterais. Entre alguns dos alvos
principais, destacam-se células dendríticas, endoteliais, fagócitos mononucleares e tumorais (cancerígenas) [10]. Nanotransportadores podem
superar barreiras relacionadas à solubilidade ou estabilidade de fármacos
e minimizar efeitos colaterais, mas, em contrapartida, problemas associ-
5
ados à toxicidade em sistemas biológicos podem surgir. A exposição de
queratinócitos humanos a nanotubos de carbono de parede única insolúveis foi associada a estresse oxidativo e apoptose [11]. O uso de pontos
quânticos de seleneto de cádmio em diagnósticos por imagem prevê informação insuficiente sobre possíveis efeitos prejudiciais no metabolismo,
uma vez que são letais às células sob radiação ultravioleta, que provoca
desprendimento de íons cádmio altamente tóxicos [12].
Nanocristais de óxido de ferro (conhecido como F13-CLIO) consistem
em partículas de óxido de ferro do tipo CLIO, que são estruturas do tipo
gaiola recobertas com dextrano e conjugadas a um fragmento de peptídeo 2AP que pode ser unido por meio de ligação cruzada a um fator
XIIIa. Por suas propriedades superparamagnéticas, têm aplicação como
agentes de contraste em ressonância magnética por imagem (RMI). Por
causar mudanças nos tempos de relaxação spin-spin das moléculas de
água das vizinhanças, podem ser utilizados com o objetivo de monitorar
a expressão gênica ou detectar patologias como o câncer, inflamação cerebral, artrite ou placas de arteriosclerose [13] [14]. Com contrastes mais
sensíveis, estes materiais apresentam maior especificidade em relação ao
tecido escolhido, menor toxicidade e são empregados em quantidades significativamente menores.
Nanopartículas porosas (ou partículas nanoporosas) podem ser utilizadas na administração de doses controladas de fármacos. O controle
da dosagem de uma determinada substância é de grande importância
para que seu efeito não seja tóxico (excessiva) ou inócuo (muito baixa).
Esta estratégia é convencionalmente usada para ministrar fármacos, como
ilustrado na figura 1.1, sendo necessárias várias dosagens para manter
6
a concentração em nível terapêutico. Essas dosagens devem também
considerar o tempo que o organismo leva para metabolizar e/ou eliminar o fármaco do sistema, ações estas que podem variar de indivíduo
para indivíduo [15]. Idealmente, deseja-se que a dose administrada varie pouco em relação a um limite médio adequado a seus objetivos. A
introdução de fármacos nessas partículas pode conduzir a formação de
diferentes arquiteturas, como micelas poliméricas, dendrímeros, lipossomas, nanopartículas poliméricas e cerâmicas, permitindo grande controle
da dose administrada. Desta maneira, agentes terapêuticos e de diagnóstico podem ser encapsulados, ligados covalentemente ou adsorvidos
nestes nanotransportadores. Outras partículas, com alta área superficial,
possibilitam uma liberação mais rápida do fármaco [16] [17] [18] [19].
A velocidade de liberação pode ser controlada por meio da velocidade
de dissolução do fármaco no sangue [20] [21]. Alguns transportadores são
manufaturados de tal forma que possam ser estimulados por mudanças
no pH, por estímulo químico, pela rápida aplicação de um campo magnético oscilante ou por aplicação de uma fonte externa de calor. Como
vantagem, observa-se que menos fármaco é utilizado em razão da maior
concentração, ao mesmo tempo que permite um efeito mais prolongado,
gerando uma ação mais rápida.
Novos medicamentos baseados na tecnologia de nanoescala devem
provocar um impacto global no planejamento e no marketing das indústrias farmacêuticas, exigindo gerenciamento de ciclo de vida e análise de
mercado específicos [20] [21]. Como exemplo dessa mudança, pode-se
citar a diminuição do número de comprimidos ingeridos durante o tratamento.
7
Figura 1.1: Esquema da variação da concentração de um fármaco administrado na forma convencional e utilizando entrega controlada.
1.2
Nanotecnologia em alimentos e agricultura
Nesses dois campos, o uso excessivo de diversos aditivos e implementos (como corantes e agroquímicos, respectivamente) têm despertado
forte reação da opinião pública em relação aos efeitos danosos que podem
causar à saúde e/ou meio ambiente. O principal apelo do uso de nanomateriais está associado a uma melhor relação efeito desejado / quantidade
de aditivo utilizado em inúmeras aplicações, desde a agricultura até a
embalagem dos produtos finais.
Nanomateriais podem estar presentes com o propósito de agregar nutrientes a alimentos [22], realçar cor e sabor [23] e promover a segurança
alimentar [24]. Pesquisas estão sendo conduzidas para desenvolver nanocápsulas contendo nutrientes que seriam liberados quando nanosensores
detectassem uma eventual deficiência vitamínica no organismo [22]. Simultaneamente, as embalagens também têm sido modificadas. Nanocom-
8
pósitos de argila / filmes poliméricos têm sido utilizados para modificar
as propriedades de permeabilidade e difusão a gases, como por exemplo
oxigênio e dióxido de carbono em garrafas e filmes, gerando barreiras
altamente seletivas [25]. Embalagens rígidas não-descartáveis, patenteaR podem ser produzidas com nanopartículas de
das pela marca Plasútil,
R embebidas numa matriz polimérica. Estas nanoparprata (Microban)
tículas têm o propósito de eliminar bactérias para minimizar eventuais
riscos à saúde e prolongar o tempo de estocagem do alimento [26]. Nanopartículas de óxido de zinco podem ser incorporadas em embalagens
plásticas para bloquear raios UV e promover proteção bactericida, enquanto aumenta a tensão de ruptura e a estabilidade de filmes poliméricos [27]. Dessa forma, a combinação desses dois mecanismos permite
que menores quantidades de aditivos modificadores sejam incorporadas
aos alimentos, já que i) um mesmo efeito é obtido com menos material;
ii) com melhores embalagens, menos aditivo é perdido ou deteriorado
até o consumo do produto; iii) com o uso de nanosensores para detectar
bactérias e outros contaminantes, tais como a salmonela, pode-se reduzir custos com análises laboratoriais e minimizar a venda de alimentos
contaminados [24].
Na agricultura, estudos têm sido realizados em pesticidas encapsulados em nanopartículas, que seriam somente liberados no organismo de
determinados insetos indesejados, o que minimizaria a contaminação de
plantas e reduziria a quantidade de pesticidas utilizada atualmente. Outras possibilidades envolvem o uso de filmes poliméricos modificados com
diversos tipos de nanopartículas que permitem a passagem (ou não) de
determinado comprimentos de onda da luz vantajosos ao desenvolvimento
9
de mudas [28].
As preocupações relacionadas ao uso da nanotecnologia em agricultura e alimentos são fundamentadas principalmente na larga escala em
que operam, no grande contato com os consumidores e no potencial impacto ao meio ambiente, à semelhança dos problemas levantados no debate sobre alimentos geneticamente modificados. Fator agravantes, no
caso da nanotecnologia, são a não-obrigação de empresas envolvidas em
rotular seus produtos contendo nanopartículas até o momento, na maioria dos países [29] e desafios relacionada à rastreabilidade ao longo da
cadeia produtiva.
1.3
Nanotecnologia em aplicações militares
Um dos projetos mais relevantes em aplicações militares é do Instituto
para Nanotecnologias de Soldados, sediado no Instituto Massachussets
de Tecnologia, onde cerca de 150 pessoas realizaram pesquisa básica e
aplicada divididas em sete grupos, focados em materiais e sensores para
proteção de soldados (contra balas, agentes químicos e biológicos), melhorias no desempenho, monitoramento corporal e intervenção quando
houver ferimentos). Uma das principais metas é a diminuição do peso
do equipamento de 60 para 20 kg e desenvolvimento de um uniforme
de batalha que, de forma dinâmica, forneça proteção, comunicação, melhoria mecânica, gerenciamento da temperatura, tratamento de feridas
e administre drogas terapêuticas. As maiores vantagens em relação à
nanotecnologia, com capacidade de aumento do potencial bélico, teriam
relação com avanços na eletrônica e em computadores mais rápidos. Resultantes da miniaturização de sistemas, novos componentes eletrônicos
10
teriam um menor consumo de energia e, aliados à inteligência artificial,
aumentar-se-ia o poder de decisão. Materiais mais leves e inteligentes
proporcionariam melhor proteção e mais autonomia nos movimentos [30].
Entre a maioria das aplicações previstas, é possível que algumas não
se concretizem ou levem anos para amadurecer. Algumas delas, tais como
melhoria em computadores, estarão próximas ao próprio desenvolvimento
junto a civis, bem como sensores para detectar agentes biológicos. Por
outro lado, é possível que haja ameaças a tratados de controle de armas
e legislações internacionais, resultantes das dificuldades de fiscalização
referentes a produtos em nanoescala [30]. Tal fato reafirma a necessidade de uma fiscalização específica nos produtos e processos envolvendo
a nanotecnologia.
1.4
Nanotecnologia em têxteis
Materiais têxteis são compostos principalmente por fibras, e por esta
razão, possuem uma grande área de superfície. Grande parte das propriedades desses materiais está associada às características das superfícies
das fibras e seu grande potencial de modificação por meio do uso de nanotecnologia tem despertado grande interesse tecnológico. As propriedades
de produtos têxteis podem sem melhoradas utilizando-se compósitos particulados ou fibrosos em nanoescala (tabelas 1.1 e 1.2). Entre as possíveis
melhorias, destacam-se a diminuição do peso e da espessura dos tecidos,
o aumento da resistência, a repulsão/absorção de água e adição de propriedades bactericidas.
11
Tabela 1.1: Produtos em nanoescala utilizados comercialmente na indústria têxtil. [3]
Empresa/Produto
Nano-tex
Aspen Aerogel
R
BASF(Mincor)
NanoHorizons
R
(SmartSilver)
Schoeller Technologies
R
(NanoSphere)
Nano Group
Descrição
Tecido melhorado com nanowhiskers
Tecido melhorado com nanoporos
Tecido melhorado com nanopartículas
Tecido melhorado com nanopartículas de prata
Tecido melhorado com nanopartículas
Tecidos melhorados com
vários tratamentos
Vantagem Apresentada
Resistência a água e manchas
Isola contra ocalor ou frio
Repulsão a sujidades na
chuva, similar a propriedade da flor de Lótus
Reduz odores
Resistência a água e manchas
Resistência a água e manchas, proteção UV
Tabela 1.2: Perspectivas de aplicação de nanotecnologia em tecidos [4]
Aplicação
Biofiltros supersensíveis
Tecidos inteligentes
Fibras para liberação de fármacos
Nanopartículas magnéticas em papéis
e/ou vestimentas
Fibras biodegradáveis saturadas com
pesticidas
Tecidos utilizados em aviões
Finalidade
Filtra vírus, bactérias e partículas e
partículas perigosas
Prática esportiva
Liberação controlada de compostos antialérgicos e antibacterianos, tal como
a luva que libera medicamento contra
artrite ou lençóis em hospitais
Criação de uma assinatura única possível de varredura para detectar falsificações, como em passaportes
Liberação controlada; podem ser plantadas com as sementes como alternativa
na pulverização de pesticidas
Absorção contínua de gases, partículas
ou outros riscos biológicos
Dois produtos onde o efeito da ação de nanomateriais é mais evidente
podem ser destacados. O primeiro é o das fibras contendo nanoporos.
Fibras convencionais de poliéster podem ser produzidas com dimensões
de até 2 micrômetros de diâmetro. O mesmo tipo de fibra pode ser
produzido na forma oca, isto é, com um vazio contínuo em seu interior
(da ordem de 0,5 micrômetro), utilizando-se equipamentos sofisticados de
12
extrusão e fiação. Esse tipo de fibra é mais flexível que seu equivalente
maciço e, devido à porosidade interna, possui excelente capacidade de
isolamento térmico. O aprimoramento dessa tecnologia necessitaria de
fibras ocas ainda mais finas, que do ponto de vista mecânico seria muito
difícil. No entanto, incorporando-se à massa polimérica nanopartículas
de sílica nanoporosa (conhecidas como aerogel), poros com dimensões da
ordem de 10-20 nanômetros podem ser introduzidos na fibra, reduzindo
significativamente sua condutividade térmica, sem perda de elasticidade
e flexibilidade [31].
O segundo, diz respeito às fibras têxteis auto-limpantes que podem ser
produzidas com nanopartículas de óxido de silício com óxidos metálicos,
principalmente óxido de alumínio [32]. A modificação e o ajuste exato
das propriedades de superfície dos materiais em geral e em particular em
materiais têxteis, tais como fibras, é de grande importância para diversas
aplicações. Desta forma, materiais têxteis hidrofóbicos, como fibras de
polipropileno, por exemplo, podem se tornar molháveis por hidrofilização,
o que leva a uma melhor capacidade de tingimento, redução do acúmulo
da carga eletrostática e, com isto, proporcionando um melhor conforto
ao vestir. Em produtos médicos, é reconhecido o fato de que materiais
hidrofílicos levam a um crescimento celular substancialmente mais rápido
do que materiais hidrofóbicos. A hidrofilização também pode ocorrer pela
incorporação de grupos hidrofílicos e pela formação de uma estrutura de
fios adequada para fiação ou tear. Para o acabamento do fio, existe a
possibilidade de grafitização dos grupos hidrofílicos ou a formação de
um filme hidrofílico na fibra para formar os chamados acabamentos anti
sujidades [32].
13
Produtos têxteis contendo nanopartículas geram um problema ambiental, uma vez que a alta área superficial das NPs as tornem mais
reativas, aumentando a chance de contaminação em águas de despejo
provenientes de lavagens ou descartes de processo. Além do mais, as
consequências do contato íntimo do tecido com a pele ainda são desconhecidas em relação a potenciais efeitos adversos à saúde humana. O
fator econômico favorecido por processos cada vez mais viáveis repercute
em um aumento produtivo, ocasionando um maior volume de passivos
ambientais.
1.5
Células combustíveis
Catalisadores são usados como combustíveis como hidrogênio ou metanol para produzir íons hidrogênio. Diversas empresas (tabela 1.3) têm
usado nanopartículas de platina e de outros materiais para reduzir o custo
e a quantidade utilizada em processos convencionais. Células combustíveis contêm membranas que permitem a passagem de íons hidrogênio
através da célula e ao mesmo tempo bloqueiam a passagem de outros
átomos ou íons, como o oxigênio. Equipamentos que utilizem baterias de
lítio tais como câmeras, telefones e laptops poderiam operar com maior
eficiência com a substituição da fonte de energia convencional por células combustíveis de hidrogênio. Com a nanotecnologia, a eficiência das
membranas pode ser aumentada além de se tornarem mais leves. Desta
forma, um telefone celular em uso necessitaria menos do que 200 miliwatts de energia elétrica, uma câmera de vídeo menos que 6 W e um
laptop ou um tocador de CD portátil utilizaria menos que 20 W e operariam por alguns dias continuamente ao invés de horas. Uma bateria de
14
lítio padrão tem uma capacidade de armazenamento de 750 mAh, sendo
que uma bateria de laptop têm a capacidade de armazenar cerca de 3600
mAh. Uma bateria de lítio padrão em uma câmera de vídeo fornece 5 W
a 7 V por cerca de 1h, enquanto que para o laptop a 12 V, uma bateria
pode fornecer cerca de 10 W por aproximadamente 4h.
As células combustíveis diretas de metanol ou DMFC (Direct Methanol Fuel Cell ) foram desenvolvidas para durar mais que baterias convencionais, com a vantagem de utilizar um cartucho de metanol para reposição da carga. A semelhança do metanol (e do etanol) com combustíveis
convencionais usados para transporte despertou o interesse em utilizá-lo
diretamente como combustível para membrana de célula combustível de
troca de prótons, com a vantagem de armazenamento mais simples do
metanol em relação ao hidrogênio, principalmente em aplicações veiculares, devido à limitação de espaço para transporte. É possível o uso
de metanol em células combustíveis ácidas, embora a pesquisa principal resida em membranas de troca de prótons ou PEM (proton-exchange
membranes) devido a maiores densidades de força (pelo menos 10 vezes
maior do que com DMFC) [33].
1.6
Células solares
O uso de nanopartículas em células solares pode reduzir os custos
de produção devido à menor temperatura exigida no processo de impressão. Na fabricação de células convencionais de materiais cristalinos
semicondutores, necessita-se de altas temperaturas (em torno de 800o C)
e deposição a vácuo. A substituição dos painéis rígidos semicondutores
por rolos flexíveis ou filmes finos semicondutores (tabela 1.4) reduziria
15
Tabela 1.3: Empresas que comercializam células combustíveis com nanotecnologia aplicada [5]
Empresa
PolyFuel
Produto
Membranas de hidrocarbonetos
QuantumSphere
NanoDynamics
Catalisadores sem platina
Célula combustível de
óxido sólido utilizando
propano como combustível
DMFC
MTI Micro
Medis
UltraCell
EDC Ovonics
Unidym
Células Combustíveis de
líquido diretas (DLFC)
com estruturas internas
simplificadas
DMFC com catalisador
extra
para
converter
methanol em hidrogênio,
antes de atingir o núcleo
da célula combustível
Tanques de hidrogênio
utilizando hidretos metálicos como meio de
armazenamento
Eletrodos baseados em nanotubos de carbono
16
Vantagens Apresentadas
Melhoria do desempenho
quando comparada às
membranas convencionais
Redução de custo
Redução de tamanho e
peso
Minimiza peças móveis,
reduz custo, tamanho e
peso
Redução de custo
Aumenta densidade de
força e tensão (V) da célula
Redução de peso, tamanho e pressão para armazenar hidrogênio
Melhora na eficiência de
células combustíveis pela
redução de perdas na resistividade e na transferência de massa
Tabela 1.4: Nanomateriais utilizados em células solares [6]
Produtor
Konarka
Nanosolar
Global Photonics
Innovalight
Bloo Solar
Materiais
Nanopartículas em materiais fotovoltaicos
Tinta semicondutora
Fotovoltaicos Orgânicos
Tinta nanocristalina
Nanocabos crescidos em filmes finos
os custos de instalação na cadeia produtiva. As células solares que utilizam a nanotecnologia ainda não são tão eficientes quanto às tradicionais,
embora a longo termo tanto a eficiência será maior quanto o custo será
menor em relação às células solares convencionais [6].
Assim como as células combustíveis, as células solares lidam com
compostos potencialmente tóxicos, como o lítio e o níquel. Informações
referentes à vida útil destes equipamentos e destino dos resíduos ainda
não estão claramente estabelecidas.
1.7
Nanotecnologia e meio ambiente
Em relação à melhoria da qualidade do ar, a nanotecnologia pode
melhorar o desempenho de catalisadores usados para transformar gases
residuais de carros e indústrias em gases atóxicos. O uso de nanopartículas em catalisadores colaboraria para um desempenho mais efetivo, visto
que uma maior área superficial permitiria uma maior interação química.
O óxido de cério tem sido estudado para aplicações em células combustíveis, em catálise em reações de oxidação de hidrocarbonetos e remoção de
compostos orgânicos de águas poluídas [34]. Estudos com óxido de cério
mesoporoso e titânio indicaram alto COV (Compostos Orgânicos Voláteis) com tolueno à temperatura ambiente. A adição de platina permitiu
uma maior capacidade de remoção do tolueno (quase o dobro), devido
17
ao efeito sinérgico entre os sítios de platina e óxidos metálicos, com promissoras aplicações em filtros para vapores de tintas, vernizes, fumaça de
cigarro, desinfetantes, combustíveis e produtos de uso doméstico [35].
Determinados nanocompósitos têm sido estudados com o propósito
de reduzir e/ou eliminar contaminações em águas subterrâneas e potáveis [36] [37] [38], além de serem promissores na remediação de contaminantes tóxicos [39] [40] [41] e no tratamento de efluentes [42] [43] [44].
Nanopartículas de minerais argilosos, oxi-hidróxidos de ferro ou manganês e colóides orgânicos possuem uma alta força de retenção metálica
(adsorção e absorção) ocasionados pela alta área superficial, que no caso
das argilas pode atingir cerca de 800 m2 g −1 . Desta forma, nanopartículas
controlam a mobilidade, o destino e a biodisponibilidade de metais (tais
como As, Cu, Ni, Cu, Hg e Zn) no solo, ar e na água. No caso das argilas,
tanto o pequeno tamanho da partícula quanto a carga elétrica negativa
provocam a retenção metálica. Partículas oxi-hidróxido possuem carga
elétrica positiva.
Propriedades específicas de argilas, como tamanho nanométrico, aparência lamelar ou fibrosa, a carga elétrica negativa, alta capacidade de
absorção e adsorção justificam o seu uso como agentes terapêuticos e ambientais, este último como catalisadores em processos químicos benignos,
uma vez que podem controlar efeitos ecológicos, ciclos biogeoquímicos e
distribuição de traços metálicos e metalóides em ecossistemas [45].
Em alguns países em desenvolvimento, como o Paquistão e Índia,
existe o risco de contaminação por arsênio em água potável, resultante
do uso de alguns tipos de pesticidas, herbicidas e aditivos. A contaminação é facilitada por atividades antropogênicas, biológicas e por reações
18
geoquímicas, enfim, sob condições naturais de mobilização do arsênio em
leitos de água. Vários países adotaram o limite permitido de arsênio em
água entre 10 e 50 µg.L−1 . A concentração de arsênio na maioria das
rochas varia de 0,5 a 2,5 mg.Kg −1 , enquanto concentrações maiores são
encontradas em sedimentos argilosos mais finos e fosforitos. No meio
ambiente, o arsênio apresenta-se geralmente na forma de ácidos, com
estados de oxidação -3, 0, +3 e +5. O arsênio (III) se complexa preferencialmente com óxidos e nitrogênio; o arsênio (V) forma complexos
com sulfetos. As formas inorgânicas de Arsênio mais tóxicas prevalecem
em ambientes aquosos, sendo sensível a mobilização em pH entre 6,5 e
8,5 e sob condições de oxidação e redução entre metalóides pesados [46].
A presença de arsênio só é possível por meio de técnicas analíticas, uma
vez que não produz mudanças no sabor ou no odor da água, o que indica
um perigo à saúde pública. Embora o envenenamento por altos níveis
de arsênio seja menos comum, uma exposição em longo prazo a baixas
concentrações em água potável apresenta um perigo considerável [47].
Alguns métodos foram desenvolvidos para remoção/remediação de
águas contaminadas por As. Dentre estes métodos, destacam-se o uso de
argilas minerais e membranas para filtração, com indicações específicas.
O uso de cerâmicas porosas para remoção de arsênio em águas tem sido
estudado [48] . A princípio, métodos com membranas foram utilizados
para purificação de água salgada. Membranas para nano-filtração pelo
sistema de osmose reversa foram capazes de remover arsênio em lençóis
aquáticos, embora seja um método com alto custo [49]. Dentre outros
materiais, destaca-se o estudo de nanopartículas de ferro para remediação
ambiental em águas contaminadas por hexaclorociclohexano, um agente
19
poluente orgânico de alta persistência. Em razão da maior reatividade
das nanopartículas de ferro em relação ao seu semelhante micrométrico,
uma menor quantidade de material poderia ser utilizada [50].
As NC& NT têm sido utilizadas para criar sensores químicos capazes
de detectar poluentes e micróbios no ar e na água de forma rápida. Devido ao tamanho reduzido, a integração de nanosensores em dispositivos
e sensores em rede proporcionam a detecção de agentes químicos e biológicos em concentrações muito baixas [51] [52] [53] [54]. Tais sensores
químicos teriam menor custo, exigiriam menos energia e proporcionariam
um monitoramento remoto contínuo. Nanomateriais têm um forte apelo
ambiental, pois teriam como premissa o uso reduzido de energia em sua
produção e menor geração de resíduos durante seu ciclo de vida [55]. Por
outro lado, o crescente uso de nanomateriais encontrados em produtos e
materiais de construção indica que eles provavelmente terminarão no ar,
na água ou no solo e entre resíduos onde estes produtos serão descartados [56] [57] [58].
1.8
Nanotecnologia e eletrônica
É na microeletrônica que os nanomateriais com propriedades distintas da sua forma não-nanométrica encontram uma de suas aplicações
mais abundantes. A lei de Moore, declarada por Gordon E. Moore, cofundador da Intel, previu que o poder de processamento deve dobrar a
cada 18 meses, e vem sendo observada até o presente [59]. Este é um caso
de aplicação “top-down” na nanotecnologia, conhecido como “de cima para
baixo”, onde, por exemplo, as dimensões de um produto são reduzidas por
desgaste ou cominuição . A miniaturização da técnica CMOS (baseada
20
em silício) continuará, embora com limitações físicas em algum estágio.
Por outro lado, expectativas em técnicas “bottom-up”, também conhecida
como técnica “de baixo para cima”, indica que o produto final é obtido a
partir do crescimento de partículas e filmes, por exemplo, utilizando-se
técnicas de síntese com uso de técnicas “bottom up”, e incluem aplicações
como transistores de junção bipolar, dispositivos eletrônicos quânticos e
computação molecular. O custo dos transistores diminuiu cerca de sete
vezes nos últimos 40 anos e tende a continuar diminuindo por mais uma
década. Assim, a disponibilidade de chips baratos e de micro controladores de alto desempenho possibilitam mais aplicações [60].
A eletrônica molecular, onde nanopartículas e mesmo moléculas são
utilizadas como dispositivos eletrônicos, pode proporcionar a miniaturização continuada de dispositivos e circuitos eletrônicos na escala nanométrica [61]. Moléculas individuais de polifenileno podem conduzir
pequenas correntes elétricas [62]. Conduzem menos corrente do que nanotubos de carbono (NTC), mas como seus derivados são moléculas muito
menores, podem apresentar altas densidades de corrente, semelhantes às
densidades do NTC e aproximadamente meio milhão de vezes maiores do
que dos fios de cobre. Possuem composição bem definida e alta flexibilidade, sendo conhecidos como fios de Tour [63].
1.9
Considerações gerais
A revisão da literatura em relação à aplicação dos conceitos de NC&NT
realizada apontou o surgimento de um grande número de produtos e
processos, nas mais variadas áreas. Embora este trabalho tenha como
objetivo principal realizar uma análise sistêmica dos benefícios e riscos
21
dessas novas tecnologias, uma abordagem que englobasse todas as áreas
apresentadas estaria além de seu escopo. Dessa forma, nas próximas seções, serão apresentados alguns conceitos externos à área de NC&NT,
necessários a essa análise. Em seguida, esses conceitos serão utilizados
na análise interdisciplinar de casos de duas classes de produtos baseados
em NC&NT com grande penetração tecnológica e comercial.
22
Capítulo 2
Metodologia
A metodologia consistiu na busca de periódicos no banco de dados da
Capes (www.periodicos.capes.gov.br), utilizando ferramentas de busca
como Science Direct, ISI Web of Knowledge,Thomson Micromedex, Wilson Web, além de pesquisa em patentes nacionais (principalmente no Instituto Nacional da Propriedade Industrial - INPI) utilizando em todas
as buscas palavras-chave como nanopartículas, nanotecnologia e nanociências. Patentes e artigos internacionais seguiram um padrão de busca
semelhante nestas mesmas bases e com auxílio de ferramentas como Patent Searching Database and Patent Data Analytics Services, disponíveis
no site www.freepatentsonline.com. Informações referentes às NC&NT
em contextos interdisciplinares foram obtidas de fontes como: European
Nanotechnology Gateway, encontradas no site www.nanoforum.org; National Nanotechnology Initiative, National Science Foundation; European
Network on the Health and Environmental Impacts of Nanotechnologies,
no site www.nanoimpactnet.eu. Dados referentes à investimentos, demandas e resultados em pesquisa em nanotecnologia no Brasil foram
coletados por meio do Programa de Ciência, Tecnologia e Inovação para
23
Nanotecnologia do Ministério da Ciência e Tecnologia, disponíveis em
www.mct.gov.br.
As revistas científicas eletrônicas foram consultadas na UFABC e na
Universidade de São Paulo, bem como os livros disponíveis nas respectivas bibliotecas. Informações relevantes que contribuíram para a formação
de um panorama das NC&NT no Brasil foram encontradas em revistas
de divulgação científica, como a revista FAPESP, o Boletim Eletrônico
dedicado à Inovação Tecnológica da Unicamp, a revista internacional
interdisciplinar INTERthesis, da UFSC e a revista Diversa, da Universidade Federal de Minas Gerais.
Informações envolvendo aspectos sobre implicações das NC&NT no
âmbito social e na saúde humana também foram obtidas por meio de
workshops promovidos pela Escola de Verão em Ética em Nanotecnologias, na Universidade de Twente, na Holanda, Escola de Verão em
Tecnologias Convergentes, pela Universidade Técnica de Darmstadt, na
Alemanha, e pelo curso sobre Nanotoxicologia e Protocolos de Caracterização de Nanomateriais, pela Universidade de Zurique, na Suíça.
24
Capítulo 3
Interdisciplinaridade em NC&NT
3.1
Conceito de Interdisciplinaridade
Embora, muitas vezes, os termos multidisciplinaridade e interdisciplinaridade sejam empregados como sinônimos ou equivalentes, definições
mais modernas e precisas mostram que se tratam de abordagens com
fundamentos, metodologias e objetivos distintos. Como, neste trabalho,
foi utilizada uma abordagem interdisciplinar em relação às NC&NT, é
importante que a diferenciação desses conceitos seja apresentada.
Considera-se multidisciplinaridade a união de duas ou mais disciplinas sem que estejam totalmente integradas, ou seja, é mantido o conteúdo
individual de cada disciplina. Quando se trata de um projeto, com uma
equipe multidisciplinar, tendo um objetivo em comum, esta equipe se
une para tratar de aspectos diversos intrínsecos àquele objetivo. Para
que uma equipe multidisciplinar seja eficiente, é necessário, dentre outros pontos, que barreiras como o não-compartilhamento do mesmo vocabulário deixem de existir. Esses problemas poderiam ser minimizados
se os integrantes da equipe também fossem multidisciplinares, no sen-
25
Tabela 3.1: Diferenças entre multi- e interdisciplinaridade.
Multidisciplinaridade
União de disciplinas
Conteúdo individual mantido
Atuação mútua e cooperativa
Interdisciplinaridade
Interação das disciplinas
Interação original de novos conhecimentos: organização nova da ciência
combina práticas e suposições de cada uma
tido de estenderem seus conhecimentos por meio da aquisição de uma
ou mais competências fora do âmbito de sua formação principal, embora
de extrema importância para permitir uma visão mais ampla do desafio
imposto à equipe. Com o passar do tempo, o sucesso da multidisciplinaridade não necessariamente acarretará num aumento de disciplinas,
mas talvez numa evolução disciplinar, onde novas abordagens, que não
sejam tradicionalmente contempladas em disciplinas específicas, possam
ser incluídas [64] [65].
Na interdisciplinaridade, as fronteiras dos conteúdos de diferentes disciplinas são muito menos rígidas, de modo que eles possam interagir para
formar novos conhecimentos, de forma integrada e original. Neste caso, é
necessário que a equipe possua conhecimento, ao menos multidisciplinar,
de modo a minimizar as principais barreiras à sua atuação (tabela 3.1).
Sem que haja um consenso definitivo sobre uma definição absoluta
de termos como inter- e multidisciplinaridade, a principal diferenciação é
sugerida pelo tipo de relação entre disciplinas [66] [65]. No caso da multidisciplinaridade, considera-se que a cooperação entre disciplinas “pode
ser mútua e cumulativa, mas não interativa”, enquanto a interdisciplinaridade, além de organizar a ciência de uma maneira nova [67], “pode
combinar práticas e suposições de cada disciplina envolvida” [64]. Um
termos mais recente, a transdiciplinaridade, sugere a dissolução das bar26
reiras existentes entre as diferentes disciplinas. Tanto a inter- quanto a
multidisciplinaridade são termos vinculados à disciplinas, enquanto que
a transdisciplinaridade evoca uma tentativa de instauração de uma metodologia unificada, aproximando as disciplinas e os campos de conhecimento. Esta nova visão teria um caráter sistêmico, menos compartimentalizado e menos disciplinar [67].
3.2
Barreiras à Abordagem Interdisciplinar
As principais dificuldades práticas envolvendo pesquisa interdisciplinar podem se destacar das seguintes maneiras [68](tabela 3.2):
• Forma de comunicação: Cada disciplina desenvolve seu próprio jargão técnico. Dessa forma, a interdisciplinaridade requer a apropriação e acomodação prévias de linguagens diferentes [69]. A comunicação de resultados de pesquisa interdisciplinar apresenta dificuldades pois requer o uso de termos técnicos adotados de cada
disciplina que podem não ser totalmente compreendidos por uma
audiência vinda de outras disciplinas relevantes.
• Métodos: Diferenças entre métodos de investigação podem levar a
conflitos e oposição, como por exemplo, os métodos quantitativos
de análise utilizados em ciências exatas e aqueles que buscam uma
visão qualitativa, embora não menos técnica, como em contextos
sociais.
• Limites institucionais: A maioria das instituições é organizada disciplinarmente. Por esta razão, podem atuar como o primeiro impedimento à pesquisa interdisciplinar. Alguns autores têm mostrado
27
Tabela 3.2: Barreiras à interdisciplinaridade.
Forma de comunicação
Métodos
Limites institucionais
Limites cognitvos
Apropriação/Acomodação de linguagens diferentes
Quantitativos(Exatas); Subjetivos (Quali ou qualiquantitativos (Humanas/Sociais)
Atuação disciplinar das universidades
Conhecimentos mínimos de # disciplinas
a necessidade e a importância do papel das instituições em conduzir
pesquisas interdisciplinares [70].
• Limites cognitivos: é obviamente difícil tornar-se especialista em
duas ou mais disciplinas. Contudo, um conhecimento mínimo de
diferentes disciplinas é necessário para que se faça pesquisa interdisciplinar, levantando questões como a real possibilidade em se desenvolver uma metodologia interdisciplinar e sobre o impacto destas
dificuldades na educação e na institucionalização de programas de
treinamento interdisciplinares [69].
A maioria dos participantes em estudos interdisciplinares tem formação baseada em disciplinas tradicionais, o que faz com que devam
aprender a apreciar diferentes perspectivas e métodos. Por exemplo,
uma disciplina que enfatize maior rigor quantitativo pode produzir praticantes que pensem que eles mesmos e sua respectiva disciplina sejam
“mais científicos” do que outras; por outro lado, colegas de disciplinas,
como ciências sociais, podem associar o uso de métodos quantitativos a
uma inabilidade em analisar dimensões mais amplas e menos evidentes
de um assunto. Um projeto interdisciplinar pode falhar se seus membros
permanecerem presos a suas disciplinas e em atitudes ditas disciplinares.
De uma perspectiva disciplinar, muitas vezes o trabalho interdisciplinar
pode ser visto como fora do âmbito das ciências exatas, deficiente no
28
rigor ou ideologicamente motivado. Estas crenças colocam barreiras nos
caminhos daqueles que optam pelo trabalho interdisciplinar e podem dificultar o avanço na pesquisa [71] [68].
3.3
Interdisciplinaridade: O caso das NC&NT
As NC&NT são uma área do conhecimento classificada como multidisciplinar, isto é, conjuga diferentes campos como física, química, biologia e
engenharia, permitindo que atuem de forma interdisciplinar para atingir
um objetivo comum. A atuação interdisciplinar é necessária para que as
deficiências de uma determinada área sejam supridas pelas competências
de outra e vice-versa. No entanto, alguns autores apontam um desvio
significativo em relação à essa necessidade [72]. Esta observação surgiu
por meio da análise da formação dos ganhadores do Prêmio Feynman
de Nanotecnologia: dentre os vencedores, mais da metade possui formação em química; aproximadamente 1/3 são cientistas computacionais
e somente um grupo bastante pequeno é interdisciplinar, de formações
diversas como biofísica, bioquímica, físico-química e assim por diante.
O Professor Terry Shinn, diretor de pesquisa no Centre National de la
Recherche Scientifique, em Paris, e professor no nível de doutorado em
Ciências Sociais em Sorbonne, resumiu o presente cenário da seguinte
forma:
“A química parece, então, dominar a área, a química e a
engenharia química, de modo que parecem existir orientações
epistemológicas muito específicas no campo da nanotecnologia. Uma dessas orientações é que a pesquisa está fortemente
focada na computação, isto é, no uso de supercomputadores
29
para experimentar aquilo que está baseado no entendimento
da natureza, para testar os modelos computacionais desenvolvidos para descrever as leis físicas, para ver o que é factível e o
que não é factível em termos dos sistemas de engenharia, nos
níveis molecular e atômico. Assim, a maior parte da pesquisa
é computacional e origina as possibilidades do que pode eventualmente ser feito materialmente. Portanto, grande parte do
trabalho não é material, mas é matemático ou está baseada
em modelos” [72].
Quando novos elementos são identificados como potenciais riscos relacionados a nanomateriais, há o surgimento de áreas do conhecimento
diferentes das tradicionais física, química, engenharias ou biológicas, tais
como engenharia ambiental, geociências e ciências sociais. Além do mais,
novas disciplinas têm sido criadas para atender pesquisas diversas em nanotecnologia, como bionanotecnologia, filmes finos, nanoeletrônica, nanotoxicologia e disciplinas voltadas à inovação e gerenciamento de novas
tecnologias [70].
30
Capítulo 4
Implicações éticas e regulamentação
4.1
Conceito de Risco
A palavra “risco” pode assumir diferentes significados. Inicialmente,
o risco pode ser um evento indesejado que pode ou não ocorrer [73].
Pode-se dizer então que “impacto ambiental” é um dos riscos de alguma
tecnologia emergente, ou seja, a tecnologia pode ou não estar ligada a tais
impactos, potencialmente negativos. Se a tecnologia tiver algum impacto
negativo, este seria chamado mais apropriadamente de consequência da
tecnologia, ao invés de risco (já que a incerteza é uma das características
do risco). Portanto, sob essa ótica, o impacto deve necessariamente ser
negativo para ser considerado como tal. Uma outra definição sugere que
o risco possa ser a causa de um evento que pode ou não ocorrer [73]. Se
alguma tecnologia traz riscos ambientais, isto significa que pode, tende
ou irá causar impactos ambientais negativos. Mais além, análises quantitativas afirmam que: a)o risco é a probabilidade de que um evento
indesejado ocorra ou não [74] ou tem o diferencial em relação à terceira
concepção no resultado esperado de eventos indesejados [73]. Um exem-
31
Tabela 4.1: Exemplos de riscos relacionados a conceitos.
Risco
Evento indesejado, pode
ou não ocorrer (incerteza)
Causa de um evento que
pode ou não ocorrer
Probabilidade de eventual
ocorrência de um efeito indesejado
Exemplo
Impacto ambiental
Tecnologia
que
traz
impactos
ambientais:
Pode/Tende/Irá causar impactos ambientais
Resultado quantitativo, como estimativa de perdas
plo hipotético: há 100 peixes em algum rio cuja água será purificada com
algum tipo de nanopartículas. Imagina-se que tais nanopartículas sejam
tóxicas à população de peixes e que alguns deles morrerão em decorrência do processo de purificação. Não se sabe exatamente quantos serão os
peixes que morrerão, mas dado vários estudos epidemiológicos, há uma
projeção de 20%. O risco, então, é a morte de 20 peixes ou 20% de perda.
Esta quarta concepção é a mais utilizada em análise de risco, utilizando
cálculos de probabilidade [74] [73](tabela 4.1).
4.2
Ética
Peter Singer [75], na sua explanação sobre o conceito de ética, afirma
que a ética pressupõe como se deve viver e envolve um conjunto de regras,
princípios ou maneiras de pensar que guiam ações de um grupo. Sendo
uma palavra muito utilizada como sinônimo de “moralidade”, ética e moral têm suas raízes em descrições para “costumes”, cuja derivação provém
dos termos “ethos” (grego) e “mores” (do latim), utilizadas para descrever
costumes [75].
A ética representa um ramo da filosofia que estuda o conhecimento
sistemático do embasamento moral da ação correta. Um problema ético
surge numa situação em que fatores morais devam ser considerados na
32
seleção de uma ação. Um dilema ético compreende uma situação em que
as escolhas oferecem dois lados, o bom e o mau, com efeitos desejáveis
ou indesejáveis, sendo oportuno lembrar que a postura ética emerge da
percepção de um fenômeno que ocorre em cada ser humano [76].
Dentre as diversas ramificações do estudo da ética, destacam-se a ética
normativa, a ética descritiva, a ética aplicada e a metaética. A ética normativa busca definir padrões específicos ou princípios para guiar uma
conduta ética nas respostas a questões relacionadas a valores e como as
ações são moralmente conduzidas e justificadas. Quando há descrição de
crenças, normas e comportamentos éticos de um determinado grupo ou
de um indivíduo da maneira como se apresentam sem considerar como
deveriam se apresentar, há relação com a ética descritiva. Baseada na
ética normativa, a ética aplicada, também conhecida como ética prática,
utiliza-se de princípios éticos para analisar assuntos práticos e específicos.
Um exemplo disso é a bioética. Já a metaética preocupa-se com a natureza do certo e do errado, de que forma os julgamentos éticos se originam
e o que significam em relação à natureza e à conduta humana [77].
As NC&NT trazem questões éticas, como implicações referentes às
suas aplicações [78] [79] [80] [81] [82] [83] [77] [84] [85]. O campo da
nanomedicina traz inúmeros dilemas, dentre os quais a possibilidade de
intervenção da nanotecnologia no diagnóstico de condições genéticas e
terapia gênica [81] [86]. Dúvidas surgem, por exemplo, em relação às
consequências trazidas pelo implante de neurobiochips em humanos para
estimular a função cerebral. Na área sócio-econômica, não foi adequadamente avaliado se os lucros gerados pela nanotecnologia irão sobrepor
as desigualdades sociais [87]. Em relação à privacidade de indivíduos,
33
especula-se que o efeito de nanodispositivos terá implicação direta [60],
tal como os problemas levantados na engenharia genética.
Patrick Lin, em seu discurso “Why nanoethics?” [88], enfatiza a necessidade da ética em nanotecnologia e, para tanto, cunhou o termo “nanoética”. Considera-se “nanoética” a avaliação ou estudo das dimensões
éticas e sociais das NC&NT [88].
Apesar da crescente quantidade de estudos sobre os potenciais riscos e benefícios que a nanotecnologia possa gerar, muito ainda é ignorado sobre o fato de que a nanotecnologia de alguma forma possa causar
preocupações relativas a questões éticas, vistas em muitos casos como
sensacionalistas [89]. Um dos pontos menos explorados é o de que novas descobertas tecnológicas podem gerar resultados inesperados e nãointencionais. Vários casos históricos podem ser citados, como quando
o uso do computador pessoal deu origem a crimes cibernéticos e contra
a propriedade intelectual; a invenção da pólvora que elevou o potencial
bélico; algumas drogas cujos efeitos adversos não foram totalmente previstos geraram dependência e má-formação fetal [88].
Ao se utilizar um planejamento prévio, muitos dos problemas associados a novas tecnologias poderiam ser antecipados e diminuídos. As
implicações éticas na decodificação do genoma humano, em relação à
privacidade e à discriminação genética, foram estudadas a partir de tais
previsões. Na biotecnologia comercial, o progresso foi dificultado e o
estoque das empresas se deteriorou pois questões éticas e sociais foram
ignoradas, razão do possível prejuízo dos alimentos geneticamente modificados na saúde e no meio ambiente [88].
A incerteza quanto ao desenvolvimento futuro não exime a responsa34
bilidade sobre a obrigação moral na investigação de questões classificadas como possibilidades relevantes, a fim de se minimizar prejuízos e até
mesmo maximizar benefícios [88].
4.3
Regulamentação da NT
Um “nanoeticista” pode se perguntar se, em se tratando de assuntos de
segurança de nanopartículas, os benefícios dos nanomateriais superariam
os eventuais prejuízos, bem como a necessidade (ou não) de regulamentação de todos os nanomateriais [90]. Fernando Galembeck, professor
do instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas, afirma:
“A falta de uma regulamentação específica para a nanociência pode, a
médio e longo prazo, ocasionar graves consequências para o setor, com
o uso desordenado dos resultados de pesquisas, ao mesmo tempo que o
excesso de normas põe em risco o avanço do conhecimento na área” [91].
Até 2009, a Agência de Proteção Ambiental estadosunidense, conhecida como EPA (Environment Protection Agency), agiu com uma atitude
de pouco comprometimento em relação a materiais em nanoescala, resultado da insuficiência de informação sobre que tipo de legislação deveria
ser aplicada a materiais em nanoescala [92]. Basicamente, o trabalho do
EPA até 2009 envolvendo legislação de produtos que utilizem a nanotecnologia foi oriundo de pesquisas realizadas por programas voluntários e
pesquisas subsidiadas por agências de pesquisa. Recentemente, a EPA
focou seus esforços na regulamentação de materiais em nanoescala por
meio de uma série de ações executadas sob autoridade do Ato de Controle de Substâncias Tóxicas, o TSCA (Toxic Substances Control Act).
O TSCA terá autoridade para regulamentar as substâncias químicas an-
35
tes e após serem comercializadas. Pode-se citar, como exemplo, a seção
específica para nanotubos de carbono (NTC) com diferenciações entre
formas alotrópicas de carbono bem como regras específicas para NTC
de parede simples ou múltipla. Informações referentes à toxicologia e
restrições devem ser fornecidas pelo fabricante, bem como amostras do
material a ser comercializado. Em caso de violação da lei, haverá penalidade na forma de multa e possível ação criminal por conhecimento
prévio das exigências [93].
No Brasil, o PL 5076/05 do deputado Edson Duarte (PV-BA) que previa o estabelecimento de normas para as pesquisas em nanotecnologia,
a rotulagem e o monitoramento de produtos de origem nanotecnológica
bem como a criação de uma comissão técnica nacional e de um fundo
de desenvolvimento para o setor, foi rejeitada por razões estratégicas. A
relatora sobre o parecer da aprovação, deputada Luiza Erundina (PSBSP), destacou que a lei brasileira já tem importantes avanços na área,
como a Lei de Biossegurança (11.105/05). Essa lei estruturou o Conselho Nacional e a Comissão Técnica Nacional de Biossegurança (CTNBio),
que presta assessoramento técnico necessário à implementação da política nacional do setor e analisa os projetos que envolvam organismos
geneticamente modificados (OGM) e seus derivados. Para a relatora, a
proteção da saúde e do meio ambiente e eventuais sanções já seriam contempladas em leis como a de Crimes Ambientais (9605/98), a que define
o Sistema Nacional de Vigilância Sanitária (9782/99) e a própria Lei de
Biossegurança. Erundina observou ainda que o Poder Executivo, com
base no Código de Defesa do Consumidor (Lei 8078/91), já estabeleceu
critérios para a rotulagem de alimentos transgênicos, por meio do De36
creto 4680/03. Afirmou que “por analogia, o mesmo princípio deve ser
aplicado aos produtos oriundos de intervenções nanotecnológicas” [94]. A
deputada ressaltou que a análise governamental prévia de pesquisas nanotecnológicas privadas poderia atrasar o desenvolvimento e a inovação e
inclusive que a autorização prévia para todas as pesquisas pressupõe que
o Poder Público tenha condições de fiscalizar todas as atividades de pesquisa nas empresas privadas, o que seria pouco provável. Além do mais,
por ser uma área estratégica, a deputada concordou com especialistas na
área de que os países que mais investirem e dominarem a nanotecnologia terão acesso a melhores produtos e serviços, e possuirão as maiores
oportunidades de desenvolvimento econômico e comercial [94].
Ainda sobre rotulagem, é importante citar o caso do uso de NP’s na
indústria de cosméticos. Embora a ANVISA (Agência Nacional de Vigilância Sanitária) mencione a necessidade de rotulagem, origem, composição e segurança, além de solicitar aos fabricantes informações sobre
fórmula, função, ingredientes, finalidade e o modo de uso dos produtos
antes de serem comercializados, ela assinala que a rotulagem é responsabilidade do fabricante, descritos em legislação específica da própria ANVISA para cada aplicação. Como produtos na categoria de cosméticos
não podem ultrapassar a epiderme para serem qualificados como tal, os
“nanocosméticos” que estão no mercado prometem não apenas fins profiláticos, mas também trazem o prefixo “nano” em suas embalagens como
estratégia de marketing. Além disso, o Código de Defesa do Consumidor,
regulamentado pela Lei 8078/90, estabelece os direitos básicos do consumidor, como a saúde e a segurança, destacando as dimensões que cabem
à vigilância sanitária supervisionar, incluindo, entre outras, a dimensão
37
tecnológica [95].
4.4
Política de NC&NT na América Latina
Entre 1990 e 2006, 70% de todas as publicações sobre NT na América
latina correspondiam ao Brasil, Argentina, Chile e Uruguai. Embora este
tema como área de pesquisa também tenha se iniciado no fim da década
de 1980, apenas recentemente as políticas sobre NT foram implementadas, tendo como marco inicial, em 2001, a criação de quatro redes
multidisciplinares institucionais [1]. Entre 2002 e 2005, estas redes envolveram 300 pesquisadores, 77 instituições de pesquisa e educação, 13
empresas, a publicação de mais de 1000 artigos e mais de 90 patentes,
envolvendos áreas de pesquisa na física, química, matemática, medicina,
biologia, engenharias, ciência dos materiais e ciência computacional [9].
Esta iniciativa representou um investimento importante do Conselho
Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) em fundos
de pesquisa e recursos humanos. O Ministério da Ciência e Tecnologia
(MCT), a comunidade científica e o setor privado foram responsáveis por
estabelecer os objetivos desta iniciativa, bem como o desenvolvimento
regional, a integração das atividades de pesquisas públicas e privadas e
o avanço na tecnologia das empresas brasileiras [96].
O desenvolvimento da nanotecnologia na América Latina possui características econômicas e culturais semelhantes. São países de renda
média (de acordo com a classificação do Banco Mundial), com sistemas
de pesquisa ativos que recebem de baixo a moderados níveis de investimento em pesquisa e desenvolvimento (tabela 4.2). Apesar de tanto o
Brasil quanto a Argentina serem os mais populosos e industrializados, as
38
semelhanças com os outros países da América Latina encontram-se ainda
na renda per capita e na entrada e saída de pesquisa e desenvolvimento
(P&D) ajustadas à população (tabela 4.1). Na América Latina, o Brasil
é líder na pesquisa em nanotecnologia, embora o número de patentes não
tenha evoluído significativamente nos últimos anos (figura 4.3) [1]. Contudo, apenas após a metade da década de 90, os resultados de pesquisas
em NC&NT se evidenciaram mais na forma de publicações. O Brasil e
o México continuaram a aumentar o número de publicações, enquanto a
Argentina, o Chile e o Uruguai mantiveram o crescimento do número de
suas publicações relativamente estável em anos mais recentes [1].
39
Figura 4.1: Tendência em publicações NT. Fonte: Análise da Georgia
Tech das publicações globais em nanotecnologia (Adaptado de Kay and
Shapira, 2009). [1]
40
Tabela 4.2: Tendência em patentes em NT. (Adaptado de Kay and Shapira, 2009) [1].
Patentes (1990-2006)
Brasil
45
México
21
Venezuela
5
Cuba
6
Argentina
5
Bolívia
2
Colômbia
2
Chile
1
Costa Rica
1
Peru
1
Uruguai
1
América Latina 92
41
42
EUA
Japão
Alemanha
Espanha
Rússia
México
Argentina
Chile
Uruguai
Brasil
China
Índia
País
Rendimento nacional bruto per capita
(US$).
Paridade
do Poder Aquisitivo
em 2006 (milhares)
44.1
32.8
32.7
28.2
12.7
12.0
11.7
11.3
9.9
8.7
4.7
2.5
HIC
HIC
HIC
HIC
UMC
UMC
UMC
UMC
UMC
UMC
LMC
LMC
Rendimento
do grupo
299.4
127.8
82.4
44.1
142.5
104.2
39.1
16.4
3.3
189.3
1,311.8
1,109.8
População
em
2006
(milhões)
Gastos com
P&D
(%
Produto
Interno
Bruto)
2.68
3.15
2.49
1.11
1.17
0.40
0.41
0.61
0.26
0.98
1.44
0.85
4,605
5.287
3,261
2,195
3,319
268
720
444
366
344
708
119
Pesquisadores
em
P&D
(população
por milhão)
692.7
434.0
535.1
422.5
100.7
37.8
79
95.6
58.3
53.1
31.9
13.3
Artigos em
Ciências
e
Engenharias
em 2005
244
857
158
53
135
1
4
1
1
1
16
1
Patentes em
2005
1,775
975
505
50
106
12
2
10
27-40
220
106
P&D em NT
pelo governo
(estimativa)
US$, 2006
Tabela 4.3: P&D em Nanotecnologia e aspectos relacionados à economia, população, ciência e tecnologia para Brasil,
Argentina, Chile e Uruguai comparados a países de referência (países classificados por rendimento per capita). (Adaptado
de Kay and Shapira, 2009) [1].
Capítulo 5
Revisão crítica:
Nanopartículas de prata
Produtos comerciais que geram íons de prata ou que contenham nanopartículas de prata (AgNPs) são a classe de produtos que mais cresce
em relação a outros nanomateriais. A maioria dos produtos emergentes
exploram a eficiência da prata em destruir uma larga escala de bactérias (razão do termo “biocida de amplo espectro”), incluindo algumas das
variedades resistentes aos antibióticos tradicionais. A novidade é que
avanços baseados em NC&NT permitiram novos métodos na manipulação da prata para que possa ser incorporada em polímeros, tecidos e
sobre superfícies, com custos competitivos [97]. O aspecto mais importante de sua atuação é que as AgNPs liberam íons de prata em altas
doses diretamente nos locais onde possam atacar os micróbios de forma
mais eficiente. A nanoprata pode ser encontrada comercialmente nos
mais diversos produtos, tais como utensílios de cozinha, eletrodomésticos, produtos de higiene pessoal, roupas, colchões, produtos para bebês,
tintas e cosméticos. Sprays de nanoprata podem ser obtidos pela internet com o propósito de desinfetar e desodorizar superfícies em cozinhas,
43
banheiros e roupas de bebê.
Os riscos associados a seu uso, sua eficácia ou mesmo a real necessidade de compra não são sempre óbvios para a maioria dos produtos de
consumo e seus usuários. Muitos destes produtos trazem a nanoprata em
contato direto com o organismo [97]. Outros têm o potencial de dispersar nanoprata no meio ambiente durante e após seu uso. Embora casos
de pessoas ou prejuízos ao meio ambiente causados especificamente por
AgNPs não tenham sido relatados, essa ausência de casos pode refletir a
experiência limitada com nanomateriais ou a falta de conhecimento sobre
quais efeitos se esperar. Por esta razão, uma inquietação sobre a pouca
compreensão dos riscos potenciais envolvendo a saúde e o meio ambiente
vem crescendo, evidenciada pelo número crescente de publicações e editoriais, bem como em relatórios da Royal Society e Royal Academy of
Engineering in the United Kingdom [98], a European Commission’s Action Plan for Nanotechnology [99] e a USEPA’s Nanotechnology White
Paper [100]. Essas publicações referem-se principalmente à falta de conhecimento sobre riscos de materiais que apresentam propriedades únicas
quando reduzidos à nanoescala e enfatizam a importância do balanço entre riscos e benefícios.
5.1
Histórico da Toxicidade da Prata
Uma das incertezas importantes sobre as tecnologias da nanoprata
é a contradição entre a longa história do uso da prata pelo ser humano
e sua classificação como poluente tóxico. A prata (Ag) é um elemento
químico com um peso atômico de 47. É raro (ocupa a posição 67 em
abundância entre os elementos) e utilizado há muito tempo na forma de
44
joias. Produtos de prata foram por muito tempo associados à alimentação, em cutelaria e recipientes de armazenamento para água e vinho em
civilizações datadas do tempo dos fenícios (o chumbo também era usado
desta forma pelos romanos). Tais aplicações estavam relacionadas à melhor preservação de alimentos e bebidas. Essa longa história do contato
humano com a prata na forma não-nanométrica (micro ou macroscópica)
não inclui efeitos colaterias negativos que sejam prontamente identificados (assim como na ocorrência de alergias e queimaduras), um argumento
às vezes utilizado para justificar a prata como não-impactante no meio
ambiente [101].
O uso da prata como fármaco também tem uma longa história. Por
volta de 1884, o obstetra alemão C.S. F. Crede introduzia 1% de uma
solução de nitrato de prata como solução oftálmica em bebês recémnascidos de mães com gonorreia [102]. Gotas de nitrato de prata ainda
são um requerimento legal para recém-nascidos em algumas jurisdições
[103]. Compostos de prata foram extensivamente usados para prevenir
infecções em feridas durante a I guerra mundial e a prata podia ser encontrada em cáusticos, germicidas antisépticos e adstringentes, presumivelmente como desinfetante. Com o advento de antibióticos mais seletivos,
como penicilinas e cefalosporinas, o uso da prata diminuiu. Uma mistura
de prata e sulfa (por exemplo, creme de sulfadiazina de prata) permanece
como o tratamento bactericida padrão para queimaduras sérias. Uma
análise histórica pouco criteriosa enxerga a prata como um desinfetante
benigno. Entretanto, sob um exame mais minucioso, complexidades aparecem em aplicações na medicina. O aumento no uso intencional da prata
em preparações farmacêuticas e dispositivos pode trazer efeitos indese45
jados, como o atraso na cicatrização de feridas, a absorção na circulação
sistêmica e a toxicidade localizada em células [104].
5.2
Concentrações de prata no mundo
A prata tem origem em depósitos do mineral argentita. A argentita
ocorre em minérios de chumbo-zinco e de cobres porfíricos nos Estados
Unidos e em depósitos de platina e ouro na África do Sul [102]. No Brasil, o consumo aparente de prata para o ano de 2010 foi projetado em
772 toneladas, que, cotejado com o verificado em 1992, de 242 toneladas,
indica a necessidade de suprimento adicional de 530 toneladas para atendimento ao aumento esperado do consumo. Como até o momento não foi
possível identificar fontes primárias de prata no Brasil, esse excedente do
consumo deverá ser suprido pelo aumento da produção como subproduto
do ouro, chumbo e de outros sulfetos e de importação [105].
Embora a geologia do território brasileiro não se tenha mostrado promissora, pelo menos até o momento, para a ocorrência de depósitos de
prata, a baixa relação entre as reservas disponíveis e as projeções para
a quantidade demandada, somada ao grau de conhecimento da geologia,
especialmente na Amazônia, justifica um esforço de pesquisa mineral.
A geração de reservas nos níveis exigidos pela projeção acumulada da
quantidade demandada exigiria investimentos da ordem de US$ 60 milhões [105]. A prata também é extraída durante o derretimento de minérios de níquel no Canadá. A produção da prata obtida da mineração
e derretimento aumentou de forma fixa no século passado. Em 1979, a
prata era usada principalmente em fotografias (39%), componentes elétricos e eletrônicos (25%), prata esterlina (12%), eletrodeposição (15%)
46
e soldagem (8%). Em 2007, aproximadamente 20,5 milhões de quilos de
prata foram extraídas no mundo [106].
A dispersão de prata no meio ambiente não é necessariamente um
risco ecológico. A concentração, o destino ambiental e a resposta ecológica são importantes também. A concentração de metais no solo e na
água é determinada, em parte, pela erosão da crosta terrestre. Se o elemento é mais abundante, sua concentração é maior em águas paradas.
Como a prata é um metal raro na crosta terrestre, suas concentrações
são baixas, o que significa que a adição de apenas uma pequena quantidade de prata em reservas de água consequentes de atividades humanas
resultarão em um grande desvio das condições naturais [101].
As concentrações da maioria dos traços metálicos em água são relatadas em partes por bilhão (ppb) ou microgramas por litro. As concentrações de prata são sempre em partes por trilhão (pptr), relatadas
por ng.L−1 . As concentrações mais baixas de prata dissolvida são encontradas em oceanos abertos, onde as concentrações variam de 0,03 a
0,1 ng/L [107]. Entretanto, as concentrações de prata mudaram de 0,03
ng.L−1 em 1983 para 1,3 ng.L−1 em 2002 em águas superficiais de oceanos abertos da Ásia. A distribuição da contaminação seguiu um padrão
que sugeriu que aerossois oriundos de poluição atmosférica tenham sido
carregados ao mar da Ásia pelos ventos oeste prevalentes, indicando que
a mudança seria uma consequência da atmosfera do continente asiático,
em rápido desenvolvimento, embora as fontes não sejam conhecidas. Surpreendentemente, tais mudanças foram suficientes para aumentar drasticamente as concentrações de prata em 50 vezes, o que demonstra a
sensibilidade do meio aquático a mudanças ocasionadas pela adição de
47
prata por atividades humanas e sugere que tais contaminações por prata
estão se desenvolvendo no continente asiático [107].
5.3
Como a prata se combina a outros elementos
O íon livre de prata positivamente carregado (Ag + ) tem uma forte
tendência em se associar a íons negativamente carregados no meio aquático com o propósito de atingir um estado estável. Os íons carregados
negativamente (ou ligantes) podem ocorrer em soluções ou superfície de
partículas. Em meio aquático, cinco principais ligantes inorgânicos aniônicos concorrem pela associação com metais catiônicos: fluoreto (F − ),
cloreto (Cl− ), sulfato (SO4−2 ), hidróxido (OH − ) e carbonato (CO3−2 ).
Os ligantes também ocorrem em matéria orgânica dissolvida. Constantes de equilíbrio, também chamadas de constantes de estabilidade, definem a força de cada complexo metal-ligante. Estas constantes podem
ser usadas em modelos para prever a especiação da prata em solução ou
a distribuição entre ligantes [101].
A especiação é movida pela combinação dos seguintes fatores: i) Força
da associação da prata com o ligante ( se a prata se associar mais fortemente com um ligante do que com outro, é mais provável que ela se
associe com o primeiro); e ii) Abundância dos ligantes. Ligantes mais
abundantes têm mais predisposição em se associar e se ligar à prata [101].
Estas propriedades trabalham combinadas. Por exemplo, em algum
ponto, um ligante bastante abundante mas ligado fracamente pode superar uma ligação mais forte num ligante raro. Os complexos específicos ou
precipitados de prata não podem ser diretamente medidos a baixas concentrações em meio aquático, mas pelo fato de serem quimicamente bem
48
conhecidos, a distribuição entre os ligantes inorgânicos pode ser calculada
com uma precisão razoável. O resultado da competição entre ligantes é
mais difícil de ser calculado se houver matéria orgânica dissolvida, em
razão das várias formas assumidas pelos ligantes. A especiação é tipicamente mais variável em água doce do que em água salgada devido à
grande variação em concentrações de ligantes. A composição da água
do mar é relativamente constante; apenas as concentrações de materiais
orgânicos variam bastante. O complexo constituído de prata e cloro sempre será dominante na solução de água salgada, embora possam ocorrer
complexos com sulfetos [108] [109].
5.4
Destino e efeito da prata no meio ambiente
Para se quantificar a massa de prata liberada no meio ambiente (ou
no organismo) após uso é necessário avaliar o risco associado com aquele
uso específico. Reações geoquímicas complexas determinam como estas
liberações se traduzem em concentrações de prata em alimentos, água,
sedimentos, solo ou aplicações tópicas [101].
• A química ambiental da prata metálica influencia a biodisponibilidade e a toxicidade de formas complexas (onde a biodisponibilidade
é definida por processos físicos, geoquímicos e biológicos que determinam a digestão de metais por organismos vivos). A influência
da química ambiental na biodisponibilidade da nanoprata é uma
questão crucial.
• A determinação do potencial para toxicidade é mais complexa do
que a determinação conhecida. O tipo de teste pode ter uma forte
49
influência em conclusões sobre o potencial da prata como um risco
ambiental.
• Uma vez dentro do organismo, a prata pode ou não ser tóxica. Os
processos que influenciam a toxicidade interna (ou desintoxicação
biológica) pode ser uma das considerações mais importantes na
determinação de riscos da nanoprata.
• O risco ecológico é influenciado pela toxicidade desde o nível celular até ao organismo completo, mas tal risco será diferente de
espécie para espécie. Em discussões sobre como avaliar os riscos
das NTs em geral, Owen e Handy [110] referem-se à “fonte-destinoreceptores-impacto” como um princípio unificador para gerenciamento de risco, de modo que uma avaliação sistemática deste caminho levaria a potenciais riscos de uma atividade.
5.5
Potenciais riscos da prata no meio ambiente e na
saúde humana
A prata, de modo geral, já é classificada como tóxica ao ambiente
por ser persistente e bioacumulativa sob algumas circunstâncias. A toxicidade, o potencial bioacumulativo e a persistência de materiais contendo nanoprata estão sendo identificados recentemente (após o início da
comercialização). Até setembro de 2007, cerca de um terço dos produtos contendo nanoprata tinham potencial de dispersar prata ou AgNPs
no ambiente. O teor de prata nestes materiais pode variar. Relatórios
contendo informações sobre tais produtos são inconsistentes e não seguem uma metodologia adequada. A existência de diretrizes indicativas
50
de concentração e formulações com toxicidade reduzida poderia oferecer
oportunidades para regulamentação [101].
A quantidade de prata dispersa no ambiente oriunda de novos produtos contendo AgNPs seria significativa se o uso/combinação de um
ou mais produtos aumentasse drasticamente, relacionados ao seu uso em
massa. Uma consequência possível seria a contaminação na água pelos
esgotos, e tais efeitos têm sido estudados [101]. Gerenciamentos de risco
serão necessários, pelo menos para alguns produtos contendo AgNPs.
Tais gerenciamentos necessitariam de informações referentes a descargas
massivas no meio ambiente. Uma vez que tais informações não estão
disponíveis ainda, nem requerimentos de relatórios governamentais ou
informações sobre produto seriam suficientes para construir estimativas
confiáveis de descargas em massa de tecnologias de nanoprata. No entanto, existe o potencial para liberações comparáveis ou maiores do que
as utilizadas em consumos diferentes aos com AgNps. A inexistência
de metodologias para vigilância ambiental de rotina de nanomateriais
constitui um fator agravante, nos quais a nanoprata se inclui. Uma alternativa viável seria o monitoramento da prata na água, em sedimentos
ou em biomonitoramento [102].
As concentrações de prata na água, em meio ambiente, mesmo aquelas já contaminadas por atividades humanas, variam de 0,03 a 500 nanogramas/litro (ng.L−1 ). Mesmo uma proliferação substancial de AgNPs
seria inviável para produzir concentrações de poluentes em excesso na escala ng.L−1 . Metodologias de vigilância ambiental devem ser capazes de
detectar mudanças de concentrações nesta escala. Testes de toxicidade
deveriam focar em condições de exposições realísticas, na escala ng.L−1 ,
51
e não apenas em toxicidade aguda de curto prazo. Testes sensíveis de
toxicidade e estudos de caso ambientais mostraram que a prata metálica
é tóxica em concentrações iguais ou maiores do que 50 ng.L−1 . Mesmo
que as potenciais concentrações em águas contaminadas pareçam baixas,
não se deve ignorar os riscos ambientais [111].
Os riscos ambientais da prata podem ser mitigados pela tendência da
prata em formar complexos fortes que possuem, aparentemente, biodisponibilidade e toxicidades muito baixas. Particularmente, complexos com
sulfetos reduzem fortemente a biodisponibilidade sob algumas circunstâncias. Ainda não está claro em que extensão tais reações de especiação
afetarão a toxicidade da nanoprata. Se a complexação ou revestimentos sulfeto-orgânicos em águas naturais reduzem a biodisponibilidade de
AgNPs, os riscos neste meio serão reduzidos. Também é possível que
NPs protejam os íons de prata de tais interações, liberando íons livres
de prata às membranas dos organismos ou em células. Neste caso, riscos
ambientais acentuados deveriam ser esperados [101].
O destino ambiental da AgNP dependerá da natureza da NP. NPs
que tendem a se agregar ou se associar a materiais dissolvidos ou particulados na natureza provavelmente se depositam em sedimentos ou solos.
A biodisponibilidade destes materiais será determinada quando ingerida
por organismos. Alguns tipos de AgNPs são manufaturadas para permanecer em água. A persistência destas partículas, em escala de tempo
de relevância ambiental (dias ou anos), ainda não é conhecida. Como a
prata é altamente tóxica para bactérias, tal toxicidade parece se acentuar
na forma nanométrica. A resposta de dosagem com sistemas diferentes
de liberação e em diferentes ambientes ainda não foi estudada sistemati52
camente. Entretanto, quando a forma iônica é biodisponível, a prata é
mais tóxica a organismos aquáticos do que qualquer outro metal conhecido até o momento (exceto o mercúrio, embora não haja parâmetros de
comparação para AgNPs) [101] [112].
A digestão de nanomateriais por endocitose parece explicar a toxicidade em invertebrados marinhos. Outras portas para digestão através da
membrana (por exemplo, transportadores de proteína ou poros) também
parecem existir. O risco de toxicidade pode ser acentuado se a endocitose liberar potenciais íons de prata na forma de AgNP, ao interior das
células, onde pode liberar íons de prata na proximidade da máquina celular. Um dos sinais de estresse causados pela prata inclui desestabilização
lisossomal e geração de espécies com oxigênio reduzido. AgNPs podem
também afetar o desenvolvimento de embriões e outros aspectos reprodutivos em concentrações em ambientes reais. Todos estes mecanismos e
suas consequências merecem uma investigação mais profunda [110].
A prata não é conhecida como uma toxina sistêmica em humanos, exceto em doses extremas. Ela é normalmente absorvida pelo organismo,
mas parece se depositar amplamente em formas inócuas nas membranas
basais, longe dos mecanismos intracelulares, onde poderia ser prejudicial. Ainda não se sabe se as AgNPs têm um destino semelhante em
tecidos humanos. Um estudo mostrou que uma vez dentro das células, as
AgNPs são mais tóxicas do que partículas como ferro, titânio ou molibdênio [101]. Há controvérsia no que diz respeito ao tratamento de feridas
com prata, pois, em algumas circunstâncias, haveria uma diminuição do
crescimento de células saudáveis. No entanto, efeitos indiretos ainda não
foram adequadamente investigados. Exemplos de áreas que necessitam
53
investigações mais profundas incluem toxicidade em relação a bactéria na
pele com exposição crônica de prata (tal como em aplicações em produtos
têxteis) e outros efeitos no aparelho digestivo na presença de prata coloidal, que contém NPs dispersas. Desta forma, o conhecimento existente
proporciona uma importante linha de base para identificar prioridades
de pesquisa [101] [112].
5.6
Análise interdisciplinar
A falta de estudos em relação aos sistemas de liberação da prata na
forma nanométrica no meio ambiente e as dosagens que a tornam tóxica
são os principais problemas a serem solucionados, uma vez que produtos
contendo nanoprata são amplamente comercializados. Além do mais,
problemas éticos surgem pela falta de fornecimento de informação nestes
produtos comercializados em relação ao seu conteúdo e potenciais riscos
que possam envolver.
54
Capítulo 6
Revisão crítica:
Uso de nanocompósitos polímero/argila
6.1
Aplicação da nanoargila como agente reforçante
em compósitos poliméricos
Compósitos poliméricos são misturas de polímeros com cargas orgânicas ou inorgânicas que apresentam geometrias diversas, por exemplo,
fibras, esferas e partículas (figura 6.1). O uso de cargas, com pelo menos uma dimensão na escala nanométrica (entre 1 e 100 nm), produz
nanocompósitos poliméricos [113].
Figura 6.1: Representação pictórica de um compósito.
55
Pode-se distinguir três tipos de cargas, dependendo de quantas dimensões estão na escala nanométrica. Nanopartículas (NPs) isodimensionais, tais como sílica ou nanoclusters semicondutores, tem três dimensões nanométricas. Nanotubos ou whiskers são estruturas alongadas nas
quais duas dimensões estão em escala nanométrica e a terceira é maior.
Quando apenas uma dimensão está na escala nanométrica, os compósitos são conhecidos como nanocompósitos poliméricos lamelares, obtidos
quase exclusivamente pela intercalação do polímero (ou um monômero
subsequentemente polimerizado) dentro das galerias de cristais em camadas hospedeiras [113]. Uma dispersão uniforme de NPs leva a uma
elevada área interfacial matriz/carga, que muda a mobilidade molecular,
o comportamento de relaxação e consequentemente as propriedades térmicas e mecâncias do material. Quando as cargas possuem uma elevada
razão de aspecto, um melhor efeito reforçante é atingido [114].
O desenvolvimento inicial de compósitos poliméricos teve como objetivo a adição de um ou mais agentes reforçantes a um determinado
polímero para que propriedades térmicas, mecânicas e de barreira fossem
melhoradas, embora a maioria destes agentes apresentasse baixa interação na interface de ambos componentes. Quando estes agentes reforçantes, então macro ou microscópicos, foram reduzidos à escala nano, a
redução do tamanho das partículas fez com que os defeitos, normalmente
presentes em escalas acima da nano, se tornassem menos importantes e
ganhos significativos de propriedades foram observados [115].
Os primeiros nanocompósitos poliméricos sistematicamente desenvolvidos foram obtidos em um sistema composto por poliamida termoplástica e argila tipo montmorilonita organofilizada com sais quaternários
56
de amônio [116]. Entre as modificações observadas nas propriedades do
polímero destacam-se o aumento significativo e simultâneo de rigidez,
tensão de ruptura, resistência ao impacto e temperatura de utilização,
com pequena alteração da aparência visual do material. Além do ganho
em propriedades termomecânicas, esse sistema recebeu especial atenção
pela facilidade com que pode ser produzido, nos mesmos equipamentos
utilizados na síntese convencional. Esse desenvolvimento, fez com que várias companhias e produtos especializados na produção das nanocargas
surgissem. Em 2000, foi anunciada no mercado a comercialização de um
R da Southern Clays Products, uma nanoaditivo promissor, a Cloisite,
argila com aplicação para polímeros da indústria automotiva [117]. Este
aditivo, também baseado em argilas do tipo montmorilonita (MMT),
destaca-se pela sua alta razão de aspecto, que pode variar, aproximadamente, de 200 a 1000, com alta área superficial, atingida pela exfoliação
das lamelas de argila.
A Southern Clays Products anunciou que vários benefícios seriam
atingidos em termos de melhorias de propriedades, utilizando-se uma
quantidade bem menor (3-5 %) em relação à quantidade utilizada de
agentes reforçantes convencionais, como o caulim, a sílica, o talco e o negro de fumo, cuja adição pode variar de 20 a 60%. Tal vantagem inicial
consistiria em um produto final mais leve e com maior transparência (em
plásticos não pigmentados), bem como melhor acabamento superficial. A
morfologia lamelar das argilas do tipo MMT proporcionaria um aumento
em determinadas propriedades físicas, como barreira a gases, solventes e
vapores, melhor retardância à chama, reciclabilidade superior e aumento
na temperatura de distorção por chama [118].
57
Embora a elevada razão de aspecto das nanocamadas seja ideal para
reforço, há uma dificuldade na dispersão em polímeros devido ao empilhamento face-a-face dos tactoides [119] e a incompatibilidade intrínseca
das camadas de silicato hidrofílicas e dos polímeros de engenharia hidrofóbicos.
6.2
Compatibilização das argilas com polímeros
A dispersão homogênea da maioria das argilas em polímeros orgânicos
não é trivial devido à diferença de hidrofobicidade das superfícies [120].
As organoargilas são produtos das interações entre argilas e compostos
orgânicos de cadeia curta (até 18 carbonos) e encontraram importante
aplicação em nanocompósitos poliméricos. Uma organofilização apropriada é uma chave fundamental para uma exfoliação bem-sucedida das
partículas de argila na maioria das matrizes poliméricas (figura 6.3). A
organofilização reduz a energia superficial da argila e melhora sua compatibilidade com polímeros orgânicos [121].
A organomontmorilonita (oMMT) tem sido produzida, por exemplo, pela troca de cátions inorgânicos da MMT com sais orgânicos de
amônio, melhorando a compatibilidade da MMT com polímeros orgânicos [122] [122] [123], levando a uma organização mais regular das camadas nas estruturas e diminuindo a absorção de água pelo nanocompósito [124]. Surfactantes também podem ser usados para melhorar a
dispersão da argila (figura 6.2). Osman et al [125] utilizou copolímeros
de polietileno em bloco anfifílicos e aleatórios como surfactantes para
melhorar a dispersão da oMMT numa matriz de polietileno; os surfactantes promoveram o aumento do espaço entre as camadas de argila em
58
diversas escalas, dependendo do número unidades polares na molécula do
copolímero, facilitando a exfoliação. Nanocompósitos (NCs) com compatibilizante mostraram estrutura melhor exfoliada e melhores propriedades
mecânicas do que NCs sem compatibilizante.
Figura 6.2: Adição de surfactante em argila monocatiônica, gerando um
maior espaço entre lamelas.
Figura 6.3: Individualização das lamelas de argila (necessária para facilitar a exfoliação).
59
6.3
Aplicações de NCs de argila
A adição de nanoargilas constituem uma barreira a gases e água pois
forçam sua passagem por um caminho tortuoso (figura 6.4). Sendo assim, nanoargilas têm sido introduzidas em bioestruturas poliméricas para
aumentar consideravelmente suas propriedades de barreira [2], minimizando uma das principais limitações de filmes biopoliméricos. Muitos
estudos relataram a eficiência de nanoargilas na diminuição da passagem
de oxigênio [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] e permeabilidade
por vapor de água [134] [135] [131] [132].
Figura 6.4: Caminho tortuoso de um permeante em um nanocompósito
de argila (Adaptado de Adame & Beall, 2009) [2]
As teorias mais conhecidas que explicam as propriedades de barreira
de NCs polímero-argila foram desenvolvidas por Nielsen [136], cujo foco
baseia-se no caminho tortuoso em torno das placas de argila, forçando o
gás permeante percorrer um caminho mais longo para se difundir atra-
60
vés do filme. O aumento do comprimento do caminho é função da alta
razão de aspecto da argila como carga e da fração volumétrica da carga
no compósito. O modelo de Nielsen prevê a permeabilidade dos sistemas
em concentrações de argila de menos de 1%, embora dados experimentais divirjam significantemente dos valores previstos para concentrações
maiores e em maior extensão para certos polímeros [137].
Quando se aumenta o comprimento das folhas de silicato, as propriedades de barreira são melhoradas por meio do aumento da tortuosidade
do caminho a ser percorrido [134]. Algumas falhas na barreira podem
ser explicadas por fatores tais como uma pobre orientação da argila ou
exfoliação incompleta. Entretanto, mesmo estes fatores não seriam suficientes para explicar experimentos publicados que relatam permeabilidades muito menores do que as previstas [2]. Em 2000, um novo modelo
para se prever o comportamento de permeabilidade de NC poliméricos
foi proposto [138], focado na interface polímero-argila como fator preponderante na adição do caminho tortuoso. Este modelo prevê uma correção
do fator aplicado ao modelo de Nielsen. Ele define três regiões em torno
das placas de argila: a região modificadora da superfície, a região polimérica restrita e a região polimérica irrestrita. A região da superfície
modificadora (1-2 nm) liga a argila ao polímero; é considerada pequena
o suficiente para ter pouco efeito na permeabilidade do compósito. A
região irrestrita do polímero não é afetada significantemente pela argila,
apresentando propriedades semelhantes do polímero convencional. A região restrita do polímero, menos definida e confirmada indiretamente,
está em contato direto com a superfície modificadora e pode se estender
de 50-100 nm da superfície da argila como função dos parâmetros de in61
teração do polímero; considera-se que tenha um volume livre mais baixo
e desta forma um coeficiente de difusão inferior em relação ao polímero
bulk. Uma vez que o efeito principal da região restrita é diminuir o volume livre e seu efeito não é significativo em regiões cristalinas, a região
restrita dos polímeros semicristalinos não afeta significativamente a permeabilidade, a menos que a cristalinidade seja diminuída. A maioria dos
desvios que ocorrem no modelo simples do caminho tortuoso envolvem
polímeros amorfos [2].
Em biopolímeros, o uso de nanoargilas melhora as propriedades mecânicas, justificando sua produção [139]. Alguns estudos envolvendo termoplásticos a base de amido/NC de argila identificaram uma melhora nas
propriedades mecânicas com a diminuição simultânea da permeabilidade
a vapor de água com a adição de 5% em peso de argilas [140]. Estudos
indicam que existe uma quantidade ótima de plastificante e nanoargila
para cada argila com o objetivo de produzir um filme de amido gelatinizado com exfoliação máxima e melhoria nas propriedades mecânicas,
sendo que tais níveis ótimos têm alguma dependência na capacidade de
troca de cátions da argila [141].
Em um estudo com uma matriz de ácido polilático (PLA), a bentonita foi capaz de melhorar a tensão e o módulo do polímero, embora
reduzisse drasticamente o alongamento do material [133]. Resultados semelhantes foram relatados para polietileno de baixa densidade (LDPE)
com organoargila [131] e para filmes de quitosana com MMT [142]. Por
outro lado, o estudo com poli(e-caprolactana) (PCL) não indicou uma
diminuição do alongamento pela adição de MMT [143].
Outros autores observaram melhores propriedades mecânicas de al62
guns polímeros pela adição de nanoargila [144] [145] [146] [135] [132]
[147] [148]. Outros benefícios foram relatados em relação ao desempenho
de vários polímeros com nanoargila, incluindo aumento na transição vítrea [127] [133] [148] e temperaturas de degradação térmica [149] [127]
[146] [123] [148].
A facilidade na incorporação de nanoargilas em nylon 6 deve-se principalmente ao fato da fluidez deste polímero de tal forma que penetre
nos pequenos espaços entre camadas. Quando extrudado, a nanoargila
se orienta naturalmente paralela à superfície [150]. Tais NCs podem alcançar até quatro vezes menos o grau de transmissão de oxigênio [151].
A Nanocor e a Mitsubishi Gas Chemical (Nova Iorque) desenvolveram o
R um NC de nylon 6 com propriedade de barreira que atendem
Imperm,
ao mercado de filmes e garrafas PET (polietileno-tereftalato) [152] [150].
Este nanocompósito pode ser usado como uma barreira de oxigênio na
produção de garrafas para sucos de fruta, laticínios, cerveja e bebidas carbonatadas ou em camadas de nanocompósitos em filmes multicamadas
para aumentar o tempo de estocagem de vários alimentos [150] [153].
O US Army Natick Soldier Center em Natick, Massachussets, centro
de pesquisas militares, tem procurado alternativas para o papel alumínio para aumentar o tempo de estocagem de alimentos conservados à
temperatura ambiente a fim de reduzir resíduos sólidos provenientes de
embalagens e permitir aquecimentos por microondas. Para tal, a nanoargila é introduzida em matrizes poliméricas para melhorar as propriedades
de barreira, resistência térmica e tensão mecânica. A pesquisa teve como
foco formulações de polietileno, polietileno-tereftalato (PET) e etilenovinil-álcool (EVOH) com 1-5% de nanoargila apropriadamente dispersa
63
para maximizar a orientação, um ponto crucial na produção de caminhos
tortuosos. Os resultados indicaram um aumento de 80% na resistência
térmica e 100% na tensão mecânica. Por outro lado, o EVOH permaneceu sensível ao vapor de água, mesmo combinado à nanoargila [151].
6.4
Uso de nanoargila em embalagens alimentícias
Estudos referentes a aplicações de nanoargilas na indústria alimentícia iniciaram-se no final da década de 1990, aproximadamente 10 anos
após a comercialização destes nanocompósitos para a indústria automobilística pela Toyota [154]. A indústria de embalagens escolheu como
alvo de aplicações agentes reforçantes baseados em argilas e silicatos,
principalmente devido ao baixo custo, disponibilidade, melhoras significativas no produto final e processabilidade relativamente simples [137].
Um dos pré-requisitos mais importantes para a indústria de embalagens
alimentícias é a conservação do alimento. Para tanto, é necessário que a
embalagem apresente boas propriedades de barreira, de forma a evitar a
deterioração do alimento causada pelo oxigênio que eventualmente atravessa a barreira polimérica, com isto acelerando a proliferação de fungos
e bactérias inddesejáveis que põem em risco a saúde do consumidor. A
presença de nanoargila em nanocompósitos poliméricos aumenta a complexidade de difusão para uma molécula penetrante, promovendo uma
propriedade de barreira elevada [155].
6.5
A validade de alimentos embalados
Embalagens para alimentos foram uma das primeiras aplicações da
NT no ramo alimentício [156]. Calcula-se que cerca de 400 a 500 tipos
64
de embalagens com nanomateriais já existam no mercado e prevê-se que
dentro dos próximos 10 anos, 25% de todas embalagens alimentícias irão
conter nanomateriais [157] [158]. Em 2003, a maioria das embalagens
que contêm nanomateriais foram produzidas para alimentos, cerveja, refrigerantes e sucos (PIRA International [159]. A função principal das
nanoembalagens é prolongar a data de validade do conteúdo alimentício.
Para tanto, as propriedades das embalagens são modificadas de tal forma
que não haja permeabilidade de gases e líquidos ou sejam atacadas pela
a luz UV [160] [130] [161]. Assim, a Du Pont desenvolveu o Light Stabilizer 210, um polímero com nanopartículas de dióxido de titânio que
tem o objetivo de reduzir a degradação causada pela luz UV [162]. Com
o Durethan KU 2-2601, a Bayer trouxe ao mercado uma embalagem na
forma de filme contendo dióxido de silício na forma de nanoplacas que
evita a entrada de oxigênio. A tabela 6.1 lista os produtos patenteados
ou em desenvolvimento para fins alimentícios; a tabela 6.2 lista algumas
patentes alemãs que utilizam nanotecnologia em embalagens de alimentos,enquanto que algumas patentes alemãs para revestimentos em máquinas processadoras de alimentos e para outros tipos de revestimentos
em contato com alimentos estão descritas nas tabelas 6.3 e 6.4, respectivamente.
6.6
Migração em embalagens alimentícias
A exudação das nanoembalagens pode promover a interação entre embalagem e alimento. Estas embalagens podem liberar substâncias como
bactericidas, antioxidantes e flavorizantes no alimento ou bebida [163]
[164] [165] [166]. Na maioria dos casos, as nanoembalagens contêm um
65
66
Encapsulamento de condimentos voláteis, aromas, óleos. Encapsulamento
de gorduras vegetais, enzimas encapsuladas por fermentação (cerveja, por
exemplo), a fim de obter um prolongamento da vida útil de alimentos congelados
Melhoria da capacidade e precisão na dosagem de substâncias ativas, como
o caroteno, vitaminas, coenzimas, ácidos graxos poliinsaturados, corantes
alimentares
Aplicação como, por exemplo, substituto de gorduras e óleos em alimentos
de baixas calorias. Além disto, uso de metais como o ouro em solução para
os licores e chocolates. A incorporação de aditivos em bebidas é possível
quando solúveis em água
Esta invenção está diretamente relacionada a fármacos, mas é listada pelo
Escritório de Patentes na seção de patentes alimentares como ”nutracêuticos”. Será fabricado em comprimidos ou cápsulas e conterá o número de
exato de pastilhas a serem llançadas no estômago
O objetivo desta invenção é manter pequenas gotículas dispersas e conseguir
uma camada interna estável para a liberação controlada de ingredientes
ativos, tais como aromatizantes
Revestimento de nanopartículas, métodos para a sua
preparação e utilização
Aplicação possível em alimentos
Possui micro e nanopartículas energizadas e magnetizadas para suplementos
dietéticos
Preparado para profilaxia e
tratamento do estresse e suas
formas, distúrbios funcionais
e orgânicos do sistema nervoso e do metabolismo
Processo de preparação de
polímeros porosos, que contenham pelo menos um componente líquido em nanoescala,
que seja liberado tardiamente
Produção de micronutrientes
Por meio da redução da insulina à escala nanométrica, há formação de
insulina solúvel em água (pode ser usada como edulcorante em alimentos
dietéticos)
Combinação de riboflavina, magnésio, diversas vitaminas e coenzima Q10
na forma nanoparticulada para profilaxia de enxaqueca
Produção de frações de insulina nanométrica
Método mecânico para produzir micro e nanoemulsões
finamente dispersas com uma
distribuição de tamanho de
gotas estreito
Forma multiparticulada de
fármaco para produção de nanopastilhas
Suplementos nutricionais e
ingredientes alimentícios com
uma estrutura multicamadas
Processo de preparação de
dispersões estáveis por longo
período
Aplicação
Título da Patente
Fraunhofer
Gesellschaft,
Alemanha
Weber & Weber GmbH &
Co KG, Alemanha
Tech, Egon,
Alemanha
ETHZurique,
Instituto de
Ciência dos
Alimentos,
Suíça
B.S. Silver,
EUA
DE 10 2006
011 881 A1
Louis,
Pöhlau,
Lohrentz,
Alemanha
Röhm GmbH
& Co KG,
Alemanha
DE 10 2005
016 193 A1
DE 10 2005
027 905 A1
DE 20 2006
010 771 U1
DE 699 07
218 T2
DE 10 2004
040 735 B4
DE 10 2004
059 792 A1
DE 100 42
833 A1
BASF, Alemanha
Empresa/País No. da Patente
Lyotropic
DE 698 16
Therapeu778 T2
tics, EUA
Tabela 6.1: Patentes alemãs que fazem uso da nanotecnologia no setor de alimentos (Adaptada de Kühling, 2008) [7].
67
Preparação para, entre outras
aplicações, embalagens para
alimentos com nanopartículas
estabilizadoras de raios UV
Processo de produção de
filme de poliamida com carga
nanométrica
Filmes multicamadas de selagem a quente, com propriedade de barreira, para embalagem de maturação de queijos
Introdução de carga nanométrica com propriedades de barreira
Embalagem de alimentos com
propriedades de barreira
Adesivo com propriedades de
barreira
Propriedade de barreira melhorada, evitando a exposição do produto ao
CO2
Melhoria nas propriedades de barreira
Adesivo utilizado no processamento de filmes para embalagens alimentícias.
Nanopartículas são adicionadas ao adesivo proporcionando um aumento nas
propriedades de barreira
Fabricação de filmes e embalagens para alimentos com proteção UV
Aplicação
Título da Patente
Wolff Walsrode
AG,
Alemanha
Wipak Walsrode GmbH,
Alemanha
Merck
GmbH,
Alemanha
DE 100 62
417 A1
DE 198 47
845 A1
DE 10 2005
007 482 A1
Empresa/País No. da Patente
Henkel, Ale- DE 10 2004
manha
038 274 A1
Henkel, Ale- DE 100 48
manha
059 A1
Tabela 6.2: Patentes alemãs que utilizam nanotecnologia em embalagens de alimentos (Adaptada de Kühling, 2008) [7].
68
Melhor visualização através de janelas em unidades de produção de alimentos
Propriedades bactericidas, antiaderentes e autolimpantes
Produção de confeitos e chocolates
Revestimento contendo nanocompósito de diamante
Compósitos poliméricos com
nanopartículas metálicas e
minerais (canos e tubos)
Superfície de vidro autolimpante
Aplicação
Título da Patente
Schott AG,
Alemanha
DE 20 2004
021 240 U1
Empresa/País No. da Patente
Bekaert NV, DE 698 03
Zwevegem,
365 T2
Bélgica
Klaus Kuntz, DE 10 2004
Alemanha
048 790 A1
Tabela 6.3: Patentes alemãs para revestimentos em máquinas processadoras de alimentos (Adaptada de Kühling, 2008) [7].
69
Revestimento
antiaderente
para carrinhos de compras ou transportadores de
contêineres
Título da Patente
Propriedades bactericidas e antifúngicas e superfícies anti-sujidades
Aplicação
Empresa/País No. da Patente
POSDE 20 2004
Technology
002 438 U1
GmbH,
Alemanha
Tabela 6.4: Patente alemã para outros tipos de revestimentos em contato com alimentos (Adaptada de Kühling, 2008) [7].
mecanismo de controle em que a liberação de produtos químicos e suas
reações ocorrem por meio de um determinado impulso [167]. Ao mesmo
tempo, aromas indesejáveis das nanoembalagens podem ser absorvidos.
Para melhorar as propriedades de barreira, foram adicionados nanotubos
de carbono (NTC) para evitar a permeabilidade de oxigênio e/ou dióxido
de carbono, aumentando a vida útil do alimento embalado [168].
6.7
Nanorevestimentos em alimentos
Por meio da NT, revestimentos de 5 nm de espessura puderam ser
desenvolvidos para alimentos em geral, com o objetivo de evitar e/ou
diminuir a entrada/saída de gases e líquidos ou como transportadores de
corantes, flavorizantes, antioxidantes e enzimas. Desta forma, a validade
do produto também é prolongada, mesmo após a abertura da embalagem
[169] [139].
A empresa Mars Inc. patenteou um “produto com revestimento inorgânico”, à base de TiO2 , (patente estadosunidense número 5741505, 1995)
que evitaria a descoloração do chocolate [170]. A patente também traz
aplicações em produtos como bolachas, batata frita e barra de cereal.
Apesar das aplicações promissoras, a Mars não utilizou a patente em
seus produtos e não tem intenção de utilizar tal técnica no momento, e
aguarda a expiração da validade da patente em outros países, onde não
será renovada [7].
A empresa americana Sono-Tek tornou conhecido, em 2007, o desenvolvimento de um revestimento comestível que pode ser consumido
direto de produtos como pães e biscoitos [162]. Algumas patentes alemãs
descritas nas tabelas 6.1, 6.2, 6.3 e 6.4 trazem informações referentes à
70
aplicações no setor de alimentos envolvendo a nanotecnologia em toda a
cadeia produtiva.
6.8
Embalagens inteligentes com nanosensores
Embalagens com nanosensores têm sido desenvolvidas (tabela 6.5)
com o propósito de controlar, por exemplo, modificações na estrutura
dos alimentos por meio de mudanças na temperatura ou umidade indicadas por uma mudança de cor [171] [167] [172]. Diferentes empresas tais
como Nestlé, British Airways, MonoPrix Supermarkets e 3M já produzem
embalagens com nanosensores [7]. A NT proporciona novas possibilidades em expandir o número de aplicações [173]. Por exemplo, sistemas de
embalagens inteligentes podem ser equipadas com uma identificação por
radiofrequência [166] [174]. Neste caso, um pequeno emissor funciona
como transmissor de informações simples sobre o produto. Tal aplicação poderia, por exemplo, facilitar a logística em supermercados e evitar
falsificações.
6.9
Embalagens ativas para proteção de alimentos
Existem poucos alimentos que sejam apropriados para consumo quando
envelhecidos (algumas exceções são alguns tipos de queijo e vinhos), pois
deterioram-se com o tempo, tornando-se impróprios para consumo. Para
tanto, novos tipos de embalagens têm sido desenvolvidas para diminuir
o tempo de deterioração e, em alguns casos, a própria embalagem é utilizada como um meio para melhorar a qualidade do alimento. Tanto
polímeros flexíveis quanto semi-rígidos estão dividindo cada vez mais sua
presença no mercado com o vidro, latas e papelão, cujas tendências na
71
Tabela 6.5: Embalagens com nanosensores em desenvolvimento (Adaptada de Kühling, 2008) [7].
Inventor
Universidade
de
Southampton,
GrãBretanha e Instituto
Alemão de Polímeros
Georgia Tech, EUA
Universidade
clyde, Escócia
Strath-
MiniFAB, Austrália
Componente em nanoescala
Filme “Opal” constituído
por negro de fumo de 50
nm
Funcionamento
Biosensores contendo nanotubos de carbono multicamadas
Sensibilidade a microorganismos e proteínas tóxicas
em alimentos e bebidas estagnadas [166]
O rótulo da embalagem
reage com uma mudança
de cor quando a embalage
vaza [172]
Tinta à base de nanopartículas de dióxido de titânio, que reage à presença
de oxigênio com uma mudança de cor quando exposto à luz UV
Biosensores baseados em
Nanotecnologia
Mudança de cor quando
há estagnação do alimento
[162]
Detecta impurezas biológicas [175]
utilização e mesmo substituição são motivadas pelo baixo custo e funcionalidade. A desvantagem entre o polímero e o vidro é a permeabilidade
ao oxigênio, que deteriora os alimentos. As vantagens das embalagens
poliméricas residem na redução do peso, quebram com muito mais dificuldade, apresentam facilidade no transporte, além de serem mais seguras
em relação ao vidro. Consumidores têm também uma percepção de que
alimentos enlatados não têm uma boa aparência, levando-os a concluir,
erroneamente, que possuam uma qualidade inferior [176]. A embalagem
PET também é vista como mais moderna em relação aos alimentos enlatados [176]. Estas percepções sugerem que o mercado de embalagens
alimentícias tende a crescer e se modernizar cada vez mais.
72
6.10
Análise interdisciplinar
Em relação aos nanocompósitos de argila, verificou-se uma carência
de pesquisa e conhecimentos sobre os reais benefícios das vantagens propagadas destes produtos em relação às suas propriedades superiores em
relação a polímeros puros ou com cargas não-nanométricas. A propaganda enganosa é uma consequência direta da falta de informação adequada, com impacto negativo no consumidor e nas empresas, por meio
de transferência de tecnologia, levando-os a uma equivocada percepção
sobre a relação custo/benefício.
73
Conclusões
Considerações Finais
O presente trabalho teve como objetivo a apresentação de um panorama das NC& NT, as aplicações presentes e promissoras de produtos
que utilizam a NT em seus processos/produtos, as implicações nos âmbitos social, econômico, ambiental e da saúde, tanto internacional quanto
nacionalmente. Verificou-se a necessidade de abordagem interdisciplinar
para tratar de tais aspectos. Dentre estes aspectos, destaca-se o conflito
estabelecido entre os benefícios e lucros associados aos produtos e processos baseados em NC&NT e suas potenciais consequências danosas em
relação ao meio ambiente, toxicologia e direito de informação aos consumidores. As principais causas desse conflito residem a) no rápido e inédito
desenvolvimento desse setor, b) nas dificuldades de avaliação dos riscos
em vista do seu caráter multidisciplinar e c) na falta de engajamento da
própria comunidade científica no assunto. Esta análise também serviu de
base para situar o Brasil no contexto mundial, a fim de se verificar quais os
principais entraves relacionados ao desenvolvimento da NC&NT no Brasil. Em relação aos Estados Unidos e Europa, além da diferença no valor
dos investimentos em pesquisa e desenvolvimento no setor, denota-se no
Brasil uma preocupação acima de tudo estratégica. Por conseguinte,
74
observa-se que assuntos relacionados a potenciais riscos e reais benefícios inerentes às NC&NT são ignorados. Além do mais, os atuais planos
de desenvolvimento para as NC&NT não contemplam uma visão interdisciplinar que englobem também as Ciências Humanas e Sociais, dado
observado em quadros de investimento, diferente de outros países onde os
investimentos nesses setores são mais acentuados. Finalmente, este trabalho aponta a necessidade que o próprio Programa de Pós-Graduação
em Nanociências e Materiais Avançados avalie seus objetivos, métodos
de investigação, de divulgação e de formação de pesquisadores de modo
a se tornar uma referência internacional em pesquisa interdisciplinar praticada com consciência ética, ambiental e sócio-econômica.
75
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