Funcionalização da superfície da alumina e seu uso em materiais antibacterianos

Introdução

A alumina (Al₂O₃), um dos materiais cerâmicos mais populares, possui a estabilidade térmica, a resistência mecânica e a inércia química desejadas. A alumina natural é biologicamente inativa, ou seja, antibacteriana. Na última década, descobriu-se que a funcionalização da superfície é um método adequado para ampliar o uso da alumina para aplicações biomédicas e de materiais higiênicos, especialmente para aplicações antibacterianas.

1. Visão geral dos métodos de funcionalização de superfície

A funcionalização da superfície é um método de adaptação da camada superficial de um material para conferir a ele novas propriedades químicas, físicas ou biológicas sem afetar suas propriedades gerais. No caso da alumina, a funcionalização geralmente é necessária para aumentar a reatividade da superfície, controlar a molhabilidade, aumentar a biocompatibilidade ou incorporar funções antibacterianas ativas.

1.1 Silanização

A silanizaçãoé a imobilização de moléculas de organosilano na superfície hidroxilada da alumina. Os silanos podem ser funcionalizados com grupos epóxi, tióis ou aminas que servem como âncoras para modificações químicas adicionais ou imobilização de biomoléculas. O 3-aminopropiltrietoxissilano (APTES) é um exemplo de introdução de grupos amina, que permitem a ligação subsequente de nanopartículas de prata ou compostos de amônio quaternário.

1.2 Tratamento com plasma

O tratamento por plasma altera a energia das superfícies e introduz grupos funcionais (ou seja, -OH, -COOH) por meio de bombardeio de íons de alta energia. A ativação por plasma da superfície é obtida sem solventes, sendo útil em aplicações biomédicas. Por exemplo, o plasma de oxigênio aumenta a hidrofilicidade da alumina e a adesão de revestimentos antibacterianos.

1.3 Deposição de camada atômica (ALD)

A ALD é empregada para depositar filmes antibacterianos ultrafinos (por exemplo, ZnO, TiO₂) com precisão em escala atômica em superfícies porosas ou densas de alumina. O processo garante um revestimento homogêneo, mesmo para geometrias complexas, como suportes de alumina porosa para implantes médicos.

1.4 Montagem camada por camada (LbL)

O processo LbL utiliza a deposição sequencial de polieletrólitos ou nanopartículas de carga oposta para criar filmes multicamadas. Isso é particularmente conveniente para imobilizar moléculas bioativas, como lisozima ou peptídeos antimicrobianos, em superfícies de alumina.

2. Mecanismos antibacterianos baseados na modificação da superfície

A alumina modificada na superfície exibe atividade antibacteriana principalmente pelos seguintes mecanismos:

- Liberação de espécies antibacterianas (por exemplo, Ag⁺, Zn²⁺) que se difundem nas membranas celulares bacterianas e inibem a atividade enzimática.

- Superfícies que matam por contato, nas quais agentes ancorados, como os compostos de amônio quaternário (QACs), interferem na estabilidade da membrana bacteriana após o contato.

- Geração de espécies reativas de oxigênio (ROS), especialmente a partir de revestimentos fotocatalíticos como TiO₂, que induzem danos aos componentes celulares, como DNA e proteínas.

3. Estudos e dados experimentais

3.1 Alumina funcionalizada com prata

Em Wang et al. (2019), os discos de alumina foram funcionalizados na superfície com nanopartículas de prata por silanização APTES e redução in situ da prata. A superfície funcionalizada matou S. aureus e E. coli em mais de 99,9% em 4 horas. As imagens de SEM revelaram danos generalizados à membrana, e o ICP-OES revelou liberação sustentada de Ag⁺ por mais de sete dias (Wang et al., 2019).

3.2 Revestimentos de óxido de zinco via ALD

Zhao et al. (2021) revestiram substratos de alumina com filmes de ZnO por meio de deposição de camada atômica. O revestimento de ZnO de 50 ciclos suprimiu 4 log de CFUs de Pseudomonas aeruginosa após 6 horas de incubação no escuro, principalmente por meio da liberação de íons de zinco. Os revestimentos foram altamente antibacterianos com baixa citotoxicidade contra fibroblastos humanos (Zhao et al., 2021).

3.3 Compostos de TiO₂-Alumina

Um artigo de 2020 da Surface & Coatings Technology demonstrou que os revestimentos de sol-gel de TiO₂ em alumina foram capazes de reduzir o número de E. coli em >95% em 2 horas sob exposição à luz UV-A. A atividade fotocatalítica pode ser repetida por meio de ciclos repetidos, e nenhuma lixiviação significativa de íons de titânio foi observada, mantendo a atividade de longo prazo (Chen et al., 2020).

4. Aplicações biomédicas e higiênicas

As cerâmicas de alumina com superfície funcionalizada estão encontrando seu lugar em várias aplicações. Scaffolds de alumina porosa revestidos com prata ou ZnO são usados em implantes médicos para reduzir infecções pós-cirúrgicas. As superfícies de alumina funcionalizadas com agentes antimicrobianos são usadas em ferramentas cirúrgicas e superfícies de alto contato em hospitais para reduzir o risco de infecção. Membranas de alumina funcionalizadas com agentes antimicrobianos são usadas em sistemas de filtragem de água para obter filtragem física e inativação bacteriana. Superfícies revestidas com cerâmica antibacteriana são usadas na indústria alimentícia para aprimorar o processamento e a embalagem higiênicos.

Conclusão

A funcionalização da superfície aumenta consideravelmente a utilidade da alumina em sistemas antibacterianos por meio da incorporação de espécies químicas ativas e da modificação das características da superfície. Bem apoiada por evidências experimentais, a cerâmica de alumina funcionalizada na superfície está sendo mais amplamente integrada aos sistemas biomédicos, ambientais e sanitários.

Perguntas frequentes

1. O que é a funcionalização da superfície da alumina?

É a modificação química da superfície da alumina para incluir uma funcionalidade antibacteriana ou outra.

2. Por que a alumina não é antibacteriana na natureza?

Porque ela é quimicamente inerte e não tem sítios de superfície biologicamente ativos.

3. Como a alumina é funcionalizada?

Alguns dos métodos típicos são silanização, tratamento com plasma, ALD e revestimento camada por camada.

4. Como as bactérias são mortas?

Por meio da liberação de íons (por exemplo, Ag⁺, Zn²⁺), contato com a superfície ou formação de ROS por revestimentos fotocatalíticos.

5. Qual é a eficácia da alumina revestida com prata?

>99,9% de remoção bacteriana em 4 horas (Wang et al., 2019).

>6. A alumina revestida com ZnO é biocompatível?

>Sim. Ela é extremamente antibacteriana com toxicidade mínima (Zhao et al., 2021).

Referências

Chen, L., Huang, Z., & Zhao, Y. (2020). Alumina revestida com TiO₂ e sua atividade fotocatalítica e antibacteriana sob iluminação UV-A. Surface & Coatings Technology, 385, 125411.

Wang, Y., Liu, X., & Wang, H. (2019). Antibacterial performance of silver-functionalized porous alumina ceramics (Desempenho antibacteriano de cerâmica de alumina porosa funcionalizada com prata). Ciência e Engenharia de Materiais: C, 102, 686-692.

Zhao, J., Zhang, D., & Li, Q. (2021). Deposição de camada atômica de revestimentos de ZnO em alumina para aplicações antibacterianas. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 109(2), 222-229.