BR102013001441B1

BR102013001441B1 - processo de produção de melanina sintética e produto obtido

Info

Publication number: BR102013001441B1
Application number: BR102013001441-9A
Authority: BR
Inventors: Marina Piacenti Da Silva; Erika Soares Bronze Uhle; Carlos Frederico De Oliveira Graeff
Original assignee: Universidade Estadual Paulista " Julio De Mesquita Filho" - Unesp
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2021-02-23
Also published as: BR102013001441A2; WO2014110641A1

Abstract

PROCESSO DE PRODUÇÃO DE MELANINA SINTÉTICA E PRODUTO OBTIDO. É descrita a invenção de um processo de produção de melanina sintética e respectivo produto obtido. Mais especificamente, compreende a síntese da melanina em rota aquosa, a partir da oxidação do precursor da melanina (L-DOPA), utilizando um reator hidrotermal.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção descreve um processo de produção de melanina sintética e respectivo produto obtido. Mais especifica mente, compreende a síntese da melanina em rota aquosa, a partir da oxidação do precursor da melanina (L-DOPA), utilizando um reator hidrotermal.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Melaninas representam uma importante classe de pigmentos naturais em função de suas propriedades biológicas de fotoproteção e aplicações tecnológicas. As melaninas naturais estão presentes em plantas e animais, sendo que dentro do corpo humano estão presentes em diferentes regiões como pele, cabelo, olhos, orelha interna e cérebro [G. Prota. Melanins and melanogenesis. Academic Press, 1992].

Geralmente são consideradas como um biopolímero sólido derivado da oxidação da tirosina, caracterizado pela insolubilidade, intensa cor escura, resistente à hidrólise, falta de regularidade molecular e paramagnetismo [M. Abbas, F. D'Amico et a!., Structural, electrical, electronic and optical properties of melanin films. European Physical Journal E 28(3), 2009, 285-291], [M.I.N. da Silva, S.N. Deziderio et al., Synthetic melanin thin films: Structural and electrical properties. Journal of Applied Physics 96(10), 2004, 5803-5807] e [J. Zhong, S. Frases et al., Following Fungal Melanin Biosynthesis with Solid-State NMR: Biopolymer Molecular Structures and Possible Connections to Cell-Wall Polysaccharides, Biochemistry 47(16), 2008, 4701-4710].

A melanina é urn material orgânico de grande potencial para uma ampla gama de aplicações, como a eletrônica orgânica [M. Berggren, A. Richter-Dahlfors, Organic bioelectronics. Advanced Materials 19 (20), 2007, 3201-3213] e [C.J. Bettinger, Z.A. Bao, Biomaterials-based organic electronic devices. Polymer International 59 (5), 2010, 563-567.], biotecnologia [M. d'Ischia, A. Napolitano et al., Chemical and Structural Diversity in Eumelanins: Unexplored Bio-Optoelectronic Materials. Angewandte Chemie-lnternational Edition 48 (22), 2009, 3914-3921, C.J. Bettinger, P.R Bruggeman et al., Biocompatibility of biodegradable semiconducting melanin films for nerve tissue engineering. Biomaterials 30 (17), 2009, 3050-3057; J. Wünsche, F. Rosei et al. Growth and Morphology of Eumelanin Thin Films: A Future Bioelectronic Material. In: 219th The Electrochemical Society Meeting 2011; Canada; 2011] e biossensores [J.T. Mabeck, G.G. Malliaras, Chemical and biological sensors based on organic thin-film transistors. Analytical and Bioanalytical Chemistry 384 (2), 2006, 343-353]. Além destas áreas, pode-se citar a utilização da melanina na cosmetologia, através de produtos para coloração capilar e da pele, assim como produtos para aplicação tópica de proteção contra a radiação UV, descritos nos documentos EP865268 e WO930575930.

Outra aplicação industrial da melanina é na produção de lentes utilizadas em óculos de sol para proteção contra a radiação. Nestes óculos, a melanina sintética é incorporada ao polímero que dá origem às lentes. Estes filtros podem ainda ser utilizados em janelas ou telas de computador, tal como descrito nos documentos US2010123105 e W09003954. Ainda, em um estudo recente, a melanina sintética foi utilizada para proteção da medula óssea durante o tratamento radioterápico [A.D. Schweitzer, E. Revskaya et al., Melanin-Covered Nanoparticles for Protection of Bone Marrow During Radiation Therapy of Cancer. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics 78(5), 2010, 1494-1502].

Como materiais, as melaninas têm sido descritas como semicondutores orgânicos com diferentes aplicações na preparação de dispositivos orgânicos eletrônicos. Em especial, a melanina apresenta interessantes propriedades opto-eletrônicas, como alta absorção óptica na faixa UV-Vis, boa transmissão eletrônica e condutividade iônica apreciável, que apontam este biomaterial como um promissor componente ativo em dispositivos eletrônicos orgânicos de baixo impacto ambiental [P.J. Goncalves, O. Baffa et al., Effects of hydrogen on the electronic properties of synthetic melanin. Journal of Applied Physics 99 (10), 2006, 5].

Como a melanina possui características de materiais funcionais e bio- orgânicos, um número crescente de pesquisadores, nos domínios da ciência de materiais e eletrônica orgânica, veem a melanina com grande interesse, aproveitando suas propriedades para as aplicações em dispositivos eletrônicos orgânicos. Recentemente, vários grupos produziram filmes finos e dispositivos a partir da melanina sintética [R Meredith, T. Sarna, The physical and chemical properties of eumelanin. Pigment Cell Research 19(6), 2006, 572-594], [M. d'Ischia, A. Napolitano et al., Chemical and Structural Diversity in Eumelanins: Unexplored Bio- Optoelectronic Materials. Angewandte Chemie-lnternational Edition 48(22), 2009, 3914-3921], [M. Abbas, F. D'Amico et al., Structural, electrical, electronic and optical properties of melanin films. European Physical Journal E 28(3), 2009, 285-291], [G.S. Lorite, V.R. Coluci et al., Synthetic melanin films: Assembling mechanisms, scaling behavior, and structural properties. Journal of Applied Physics 99(11), 2006] e [J. Wünsche, F. Rosei et al: Growth and Morphology of Eumelanin Thin Films - A Future Bioelectronic Material. In: 219th The Electrochemical Society Meeting 2011; Canada-, 2011].

Bothma e colaboradores (J.R Bothma, J. de Boor et al, Device-quality electrically conducting melanin thin films. Advanced Materials 20 (18), 2008, 3539) descrevem um processo de fabricação para a produção de dispositivos baseados em filmes finos de melanina com condutividade elétrica comparável à do silício amorfo. Neste estudo, os filmes de melanina mostraram uma excelente estabilidade térmica e aderiram muito bem a substratos de vidro e de silício, indicando a possibilidade de utilizar esta técnica para a produção de filmes a partir da melanina sintética.

A literatura técnica descreve a integração de polímeros semicondutores orgânicos como a melanina, em dispositivos eletrônicos de silício, em vista da possibilidade de alcançar sistemas multifuncionais que combinam as propriedades elétricas e ópticas de semicondutores, com a versatilidade estrutural e características mecânicas e de processamento dos materiais poliméricos [M. Ambrico, RF. Ambrico et al., Melanin Layer on Silicon: an Attractive Structure for a Possible Exploitation in Bio-Polymer Based Metal-lnsulator-Silicon Devices. Advanced Materials 23 (29), 2011, 3332-3336].

Em uma aplicação biotecnológica, Bettinger e colaboradores [C.J. Bettinger, P.P. Bruggeman et al., Biocompatibility of biodegradable semiconducting melanin films for nerve tissue engineering. Biomaterials 30 (17), 2009, 3050-3057] avaliaram a utilização de filmes de melanina na reconstrução de tecidos, mostrando que a melanina possui grande potencial para esta finalidade, por ser biodegradável e possuir resposta inflamatória comparável ao silicone.

A melanina, devido à falta de regularidade molecular, não apresenta uma caracterização estrutural satisfatória. Acredita-se que as estruturas químicas obtidas durante o procedimento de síntese in vivoe in vitrosão compostas, principalmente, por macromoléculas das várias formas redox dos monômeros de 5,6 dihidroxi-indolquinona (DHI ou HQ) e 5,6 dihidroxi- indol- 2 ácido carboxílico (DHICA) [G. Prota. Melanins and melanogenesis. Academic Press, 1992].

Como há uma grande dificuldade em isolar a melanina natural para estudo, vários pesquisadores utilizam alguns tipos de melanina sintetizadas em meio aquoso, tradicionalmente obtidas através de dois procedimentos: i) oxidação da tirosina ou L3-(3,4-dihidroxifenil-alanina) (L-DOPA) por meio de reação enzimática; e ii) auto-oxidação em solução aquosa alcalina. Ambos os procedimentos utilizam água como solvente, e a síntese do material polimérico não é controlada, resultando em compostos com alto grau de heterogeneidade química, sendo o material obtido da síntese insolúvel em água [G. Prota. Melanins and melanogenesis. Academic Press, 1992],

Dentre as possíveis rotas para a síntese de melanina, uma rota bem estabelecida é a rota em meio aquoso. Nesta síntese, uma mistura inicial de L-DOPA, água deionizada e NaOH (2M) é mantida sob agitação, na presença de O2 introduzido por uma bomba de ar. Após 3 dias, a mistura é purificada e o produto final é um pó da cor preta [C.C. Felix, J.S. Hyde et al., Interactions of Melanin with Metal-lons-Electron-Spin Resonance Evidence for Chelate Complexes of Metal-Ions with Free-Radicals. Journal of the American Chemical Society 100(12), 1978, 3922-3926].

O documento W02007010861 descreve um processo para a síntese da melanina mediante a polimerização do dihidroxindol-ácido-carboxílico em meio aquoso na presença de 3-amino-tirosina.

O documento WO9323480 descreve um processo para a síntese da melanina através da oxidação contínua dos precursores de melanina em meio alcalino.

Ainda que os processos descritos no estado da técnica permitam a produção de melanina com sucesso, é verificado que em todos estes processos o tempo de síntese é elevado (3 dias ou mais), e em nenhum caso é utilizado um reator hidrotermal que permite um melhor controle de importantes condições experimentais, como temperatura e pressão.

Portanto, é objeto da presente invenção a síntese otimizada de melanina em rota aquosa, a partir da oxidação do precursor da melanina (L- DOPA), utilizando um reator hidrotermal, com diminuição significativa do tempo de síntese da melanina e possibilidade de reprodutibilidade do processo, bem como o respectivo material assim obtido.

É conhecido que a utilização dos reatores para síntese em altas pressões e temperatura produzem com sucesso diversos produtos finais [K. Byrappa, M. Yoshimura. Handbook of Hydrothermal Technology:A Technology for Crystal Growth and Materials Processing. NJ, USA: Noyes Publications; 2001],

A reação hidrotermal pode ser definida como qualquer reação química homogênea ou heterogênea na presença de solvente (aquoso ou não), acima da temperatura ambiente e pressão maior que 1 atm, em ambiente fechado. Esta técnica permite a síntese de materiais avançados, com inúmeras vantagens quando comparada com o processo convencional, como economia de energia, alta eficiência, aumento da cinética da reação, menor temperatura de operação na presença de solventes apropriados e maior poder de dissolução [M. Yoshimura, K. Byrappa, Hydrothermal processing of materials: past, present and future. Journal of Materials Science 43 (7), 2008, 2085-2103],

O estado da técnica descreve métodos de síntese hidrotermal, tal como os documentos KR2007105707, EP288221, EP423531, JP60011221, US2011052473, sem no entanto descrever ou sugerir a obtenção de melanina como produto final.

SUMÁRIO

É característica da presente invenção um processo de produção de melanina sintética que provê a oxidação da L-DOPA em meio aquoso, pH básico e na presença de oxigênio, dita reação sendo mantida em temperatura elevada e alta pressão, por meio de aquecimento e injeção do gás oxigênio no reator hidrotermal.

É característica da presente invenção um processo de produção de melanina sintética que proporciona uma redução significativa do tempo da síntese tradicional, geralmente de 3 dias.

É característica da presente invenção um processo de produção de melanina sintética que provê o controle de importantes parâmetros para a síntese, como temperatura e pressão.

É característica da presente invenção um processo de produção de melanina sintética que não necessita de equipamentos sofisticados para sua realização.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A figura 1A apresenta o gráfico de absorção no UV-Vis (absorbância em escala linear) para a melanina sintetizada pelo método tradicional e duas melaninas sintetizadas através do método hidrotermal, uma em temperatura ambiente por 15 horas e outra em temperatura elevada (70 °C) por 7 horas, e a figura 1B apresenta o gráfico de absorção no UV-Vis (absorbância em escala logarítmica) para a melanina sintetizada pelo método tradicional e duas melaninas sintetizadas através do método hidrotermal, uma em temperatura ambiente por 15 horas e outra em temperatura elevada (70 °C) por 7 horas.

A figura 2 apresenta os espectros de infravermelho da melanina sintetizada pelo método tradicional e da melanina sintetizada através do método hidrotermal.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

O processo de produção de melanina sintética, objeto da presente invenção, compreende a reação de água deionizada (D) L-3-(3,4- dihidroxifenil)-alanina (L-DOPA) e hidróxido de amónio em uma célula reacional de um reator hidrotermal, com a introdução de gás oxigênio pela válvula de entrada da dita célula reacional, a fim de aumentar a pressão interna acima de 1 atm. Em seguida, a célula reacional é colocada em banho térmico com temperatura controlada.

A reação passa por uma etapa de agitação por pelo menos 6 horas para que a reação de polimerização ocorra e a melanina seja completamente formada.

Posteriormente, a mistura é filtrada em uma membrana de diálise, sendo o material seco a temperatura de 60 °C por 48 horas.

O produto final obtido é um pó da cor preta.

Exemplo:

Dentro da célula reacional, com capacidade de 0,150 I, são colocados 0,060 I de água deionizada, 0,30 g de (D) L-3-(3,4-dihidroxifenil)-alanina (L- DOPA) e 100 μl de solução aquosa de hidróxido de amónio a 28%. Após a vedação do reator, é introduzido gás oxigênio até que a pressão interna alcance 4 atm. A reação permanece sob agitação durante 15 horas. Após esse período, a mistura é filtrada em uma membrana de 5000 daltons e o material seco em temperatura de 60 °C por 48 horas. O produto final obtido é um pó negro.

Conforme apresentado na Figura 1, a melanina sintetizada pelo método tradicional e as duas melaninas sintetizadas através do método hidrotermal, objeto da presente invenção, apresentaram o mesmo padrão de absorção.

Na figura 2, os espectros de infravermelho da melanina sintetizada pelo método tradicional e da melanina sintetizada através do método hidrotermal revelam os mesmos grupos funcionais, indicando a produção de melanina sintética através do método hidrotermal.

A melanina obtida por processos tradicionais é insolúvel em água e em diversos solventes orgânicos, o que dificulta o seu uso, por exemplo, na produção de filmes finos de alta qualidade. Para esta finalidade, é comum o uso de hidróxido de amónio na solução aquosa de melanina, para que a mesma se dissolva em água [J.P. Bothma, J. de Boor et a!., Device-quality electrically conducting melanin thin films. Advanced Materials 20 (18), 2008, 3539-+].

De forma diversa, a melanina produzida pelo processo hidrotermal apresenta uma solubilidade em água bastante superior à melanina tradicional, independentemente da adição de solução alcalina.

Claims

1. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE MELANINA SINTÉTICA, caracterizado por compreender ao menos as seguintes etapas: a. adição em uma célula reacional de um reator hidrotermal de água deionizada e (D) L-3-(3,4-dihidroxifenil)-alanina (L-DOPA) em relação molar na faixa de 1:1 até 3:1; b. adição de solução aquosa de hidróxido de amônio ao meio reacional até que o pH da solução seja de no mínimo 8; c. introdução de gás oxigênio no reator de modo que a pressão interna entre 2,0 e 6,0 atm; d. agitação do meio reacional por pelo menos 6 horas, para completa reação de síntese da melanina; e. filtragem do produto da reação em uma membrana de diálise; f. secagem do filtrado a temperatura entre 55 e 65 °C por no mínimo 48 horas.

2. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE MELANINA SINTÉTICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser realizado por rota hidrotermal.

3. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE MELANINA SINTÉTICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da etapa agitação do meio reacional poder ser realizada em temperatura ambiente ou em temperaturas de até 150 °C.