Inspirados na célula: Investigadores de Bayreuth desenvolvem fibras sintéticas com capacidade de autoproteção
Os químicos de Bayreuth utilizam um complexo que contém zinco e que se agrega de forma reversível, formando estruturas da ordem dos micrómetros a temperaturas superiores a 32 °C
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Investigadores da Universidade de Bayreuth, em colaboração com colegas da Freie Universität Berlin e do Instituto Leibniz de Investigação em Polímeros de Dresden, desenvolveram um sistema de fibras sintéticas inspirado no citoesqueleto celular, que se protege através de um agrupamento controlado. Estas descobertas abrem novos caminhos para materiais inteligentes e comutáveis, cujas propriedades podem ser deliberadamente alteradas em resposta a um estímulo específico.
\--- Por que é importante
As células vivas realizam um feito notável: mantêm estruturas delicadas, como o citoesqueleto, que são mantidas unidas apenas por interações intermoleculares fracas, mesmo em condições adversas. Conseguem-no através de uma organização hierárquica e de um agrupamento direcionado. As moléculas de proteína individuais formam os blocos de construção mais pequenos, que se organizam em filamentos. Vários filamentos são então agrupados e unidos por proteínas de reticulação, criando estruturas mais estáveis. Reproduzir este princípio em polímeros sintéticos poderá conduzir a novos materiais eficientes em termos de recursos para aplicações como a impressão 3D, a detecção e a optoeletrónica, bem como a biotecnologia. \---
Pela primeira vez, uma equipa de investigação liderada pelo Prof. Dr. Alex Plajer, da Universidade de Bayreuth, recriou um sistema de fibras com ordem hierárquica e agrupamento controlado num sistema aquoso totalmente sintético. O ponto de partida é uma molécula plana contendo zinco ligada a um polímero sensível à temperatura. Numa solução aquosa diluída, estes blocos de construção organizam-se espontaneamente em nanofibras. Notavelmente, as próprias moléculas de água são incorporadas como componentes estruturais das nanofibras, em vez de atuarem meramente como solvente.
Quando a temperatura é elevada acima dos 32 °C, as nanofibras inicialmente independentes agrupam-se em estruturas da ordem dos micrómetros. O mesmo processo de agrupamento também pode ser desencadeado por alterações na concentração de sal ou na composição do solvente. A reversão do respetivo estímulo, por exemplo, através da redução da temperatura ou do ajuste da concentração de sal ou da composição do solvente, faz com que os aglomerados se dissociem novamente. O processo é, portanto, totalmente reversível.
Fundamentalmente, esta organização de ordem superior protege os blocos de construção, que de outra forma seriam frágeis, tal como acontece no citoesqueleto. Enquanto as nanofibras individuais se desmontam rapidamente sob diluição, condições ácidas ou ataque químico, as fibras agrupadas permanecem estáveis. «Conseguimos até demonstrar a proteção seletiva das fibras. Numa mistura contendo fibras agrupadas e fibras desprotegidas, apenas as fibras que formam feixes sobrevivem, enquanto as outras se desintegram. Este comportamento assemelha-se à compartimentação seletiva observada nas células, onde se formam regiões ou organelos distintos no seio do ambiente celular», explica Merlin Stühler, primeiro autor do estudo e investigador de doutoramento no grupo de Alex Plajer.
Este princípio tornou-se particularmente evidente numa experiência invulgar. Após irradiação com luz UV, o complexo de zinco aquece-se fototermicamente e mantém as fibras no seu estado protegido e agrupado enquanto a fonte de luz fornecer energia. Assim que a irradiação cessa, os feixes dissociam-se e os blocos constituintes desintegram-se em condições ácidas. «Desta forma, criámos uma analogia com os mecanismos utilizados pelas bactérias resistentes ao ácido, que gastam ativamente energia para manter o seu equilíbrio interno em condições hostis», afirma Merlin Stühler. «O nosso sistema sobrevive, literalmente, apenas enquanto a energia está a ser fornecida. Por conseguinte, existe num estado distante do equilíbrio termodinâmico, uma característica definidora dos sistemas biológicos.»
O agrupamento hierárquico não só aumenta a estabilidade das fibras como também pode ser observado a olho nu. Quando aquecidas, as fibras formam um hidrogel a concentrações cerca de 200 vezes inferiores às necessárias em sistemas poliméricos comparáveis. O arrefecimento inverte o processo, devolvendo o gel ao estado líquido. A gelificação pode ser desencadeada pela irradiação de luz, enquanto a temperatura de gelificação pode ser controlada simultaneamente através da concentração de sal ou da composição do solvente. Mesmo no estado de hidrogel, os blocos de construção permanecem protegidos contra ataques ácidos e químicos.
«Para além da perceção fundamental de que os princípios organizacionais biológicos podem ser transferidos para sistemas sintéticos, vemos um claro potencial de aplicação para o nosso material. A sua gelificação reversível e repetidamente sensível a estímulos, a concentrações de material comparativamente baixas, torna o sistema atraente para a impressão 3D, onde poderia servir como uma resina de impressão reciclável e ‘comutável’», conclui o Prof. Plajer. O trabalho também proporciona uma nova estratégia de conceção para a detecção e a optoeletrónica, graças às propriedades fotofísicas sensíveis à luz do bloco de construção contendo zinco, bem como para o desenvolvimento de materiais mais robustos e inteligentes na nanotecnologia e na biotecnologia.
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