BR102015028060A2 - Method for obtaining and stabilizing magnetian nanoparticles, products and use - Google Patents

Abstract

a presente invenção descreve o processo de obtenção e estabilização de nanoparticulas de magnetita (fe304), com tamanho e formato controlados, através do aquecimento de amostras sintéticas ou naturais, de óxidos ou oxidróxidos de ferro (iii), como hematita (a-fe203), maghemita (y-fe203 ), lepidocrocita (y-feooh), goethita (a-feooh), akaganeita (13-feooh), feroxita (s-feooh), com sacarose ou outros hidratos de carbono com fórmula c,,(h2o)n , como glicose, frutose, lactose, maltose, celobiose, amido, glicogênio, celulose, todos os componentes no estado sólido. o carvão produzido pela queima do hidrato de carbono forma uma película na superfície da magnetita, consequentemente prevenindo sua oxidação a hematita. essa camada de carbono pode ser removida posteriormente de forma simples para uso em processos que exijam a superfície exposta da magnetita. as nanoparticulas de magnetita obtidas podem ser utilizadas em processos catalíticos que exijam pequenos tamanhos de partículas ou em processos de hipertermia magnética, como carreadores de fármacos em sistemas de liberação controlada e como agentes de contraste em imagens de ressonância magnética.

Description

“PROCESSO PARA OBTENÇÃO E ESTABILIZAÇÃO DE NANOPARTÍCULAS DE MAGNETITA, PRODUTOS E USO” [001] A presente invenção descreve o processo de obtenção e estabilização de nanoparticulas de magnetita (Fe304), com tamanho e formato controlados, através do aquecimento de amostras sintéticas ou naturais, de óxidos ou oxidróxidos de ferro (III), como hematita (a-Fe203), maghemita (y-Fe203), lepidocrocita (γ-FeOOH), goethita (α-FeOOFI), akaganeita (β-FeOOH), feroxita (δ-FeOOH), com sacarose ou outros hidratos de carbono com fórmula Cn(H20)n, como glicose, frutose, lactose, maltose, celobiose, amido, glicogênio, celulose, todos os componentes no estado sólido. O carvão produzido pela queima do hidrato de carbono forma uma película na superfície da magnetita, consequentemente prevenindo sua oxidação a hematita. Essa camada de carbono pode ser removida posteriormente de forma simples para uso em processos que exijam a superfície exposta da magnetita. As nanoparticulas de magnetita obtidas podem ser utilizadas em processos catalíticos que exijam pequenos tamanhos de partículas ou em processos de hipertermia magnética, como carreadores de fármacos em sistemas de liberação controlada e como agentes de contraste em imagens de ressonância magnética.

[002] A magnetita é um membro da família das ferritas, com estrutura cristalina e distribuição iônica de um espinélio invertido. É muito estudada para desenvolvimento de materiais para a indústria eletrônica (produção de cabeça reprodutora de som e vídeo e de meios magnéticos de estocagem de dados digitais), em razão de algumas de suas propriedades magnéticas: arranjo ferrimagnético, com relativamente alta magnetização espontânea (aproximadamente 100 JT'1 kg'1). É componente de misturas, compósitos, ou tem ação direta como catalisador sólido, em processos químicos de interesse industrial. Forma também eficientes materiais de separação magnética, em biomedicina, sobretudo se comparada a outras formas de separação, como extração líquido-líquido, cromatografia, filtração ou centrifugação. A relativamente baixa biotoxicidade nos organismos de mamíferos, a alta biocompatibilidade e a alta estabilidade química têm direcionado o uso da magnetita a muitas aplicações biomédicas, já em pleno uso regular ou, em alguns casos, em fase de maior desenvolvimento tecnológico, como agente de aumento de contraste, para fins de diagnóstico por ressonância magnética (MRI), e em sistemas de liberação controlada de drogas (DDS) e em hipertermia, ambos usados na terapia de câncer.

[003] Os métodos mais convencionais de síntese de nanopartículas de magnetita, com tamanho e formato controlados, incluem co-precipitação de Fe2+ e Fe3+ em meio alcalino, método hidrotérmico, sol-gel, decomposição térmica, microemulsão, sonoquímica, eletroquímica e de poliol.

[004] Entre as sínteses em fase aquosa, o método de Massart de co-precipitação tem sido muito usado, pela simplicidade de procedimento (R. Massart, IEEE Trans. Magn. 7 (1981) 1247). Resumidamente, o método de Massart baseia-se na reação de sais férrico e ferroso, em uma razão de 2:1, dissolvidos em água deionizada e desoxigenada, para precipitar as nanopartículas de óxido de ferro, após ajuste do pH da mistura para 11, ou maior, por adição de uma base, comumente, amônia ou hidróxido de sódio (Y.S. Kang et al. Chem. Mater. 8 (1996) 2209). O controle de alguns parâmetros da reação, incluindo a temperatura e a razão dos sais de ferro, serve para controlar a formação do produto final, que, comumente, consiste de duas fases de óxido de ferro: magnetita e maghemita. O inconveniente dessa metodologia de síntese em fase aquosa é que variações da razão molar dos sais de ferro resultam, frequentemente, em mudanças complexas da estrutura cristalina da nanopartícula, além do fato de se obter mistura das duas fases de óxido de ferro. O procedimento não resolve as dificuldades em se obter nanopartículas com uma faixa estreita, programada, de tamanhos.

[005] O desafio central é a síntese de ferritas com tamanhos de partículas controlados. Encontram-se reportadas sínteses conduzidas a altas temperaturas, utilizando-se a decomposição térmica de espécies químicas de ferro, como o acetilacetonato de ferro (III) (Fe(acac)3) e o pentacarbonil de ferro (Fe(CO)5), em solvente orgânico (T. Hyeon et al. J. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 12798). Com essas rotas de síntese, pode-se obter partículas de magnetita com tamanho médio de 4 nm de diâmetro. Partículas maiores são obtidas mantendo-se as partículas de 4 nm novamente em contato com os precursores, como o Fe(acac)3 (S. Sun, H. Zeng, J. Am. Chem. Soc. 124 (2002) 8204).

[006] Outras estratégias incluem o processo sol-gel, que pode requerer altas temperaturas, e o uso de moléculas de surfactantes orgânicos, para se produzir nanopartículas de magnetita monodispersas. Em uma dessas, usando-se altas temperaturas, partículas de Fe304 de 15 nm foram sintetizadas, partindo-se de um alcóoxido metálico, Fe(0-tBu)2(THF)2 sob temperatura de 300 °C (Y.K. Gunko et al. J. Mater. Sei. Mater. Electron 12 (2001) 299).

[007] As nanopartículas sintetizadas via rota de fase orgânica não formam soluções coloidais em meio aquoso ou em meio fisiológico, o que as tornam inadequadas para muitas aplicações biomédicas (H. Yin, H.P. Too, G.M. Chow, Biomaterials 26 (2005) 5818; A. Hoshino et al. Nano Lett. 4 (2004) 2163). Além disso, os compostos orgânicos utilizados podem ser variavelmente tóxicos para destinações de uso em práticas médicas.

[008] Apesar de existirem várias rotas de síntese de nanopartículas de magnetita, algumas podem ser inadequadas para uso do produto em aplicações médicas, na medida em que se baseiam em reagentes tóxicos ou requererem altas temperaturas de reação. Outras rotas de síntese podem produzir nanopartículas de tamanho controlado, mas com pobre cristalinidade ou distribuição de fases de estruturas químicas não controladas, ou não permitem o controle pretendido do tamanho das partículas. Outras ainda necessitam de equipamentos sofisticados, longo tempo de processamento ou reagentes caros e tóxicos. A busca é por um método relativamente simples, confiável e de baixo custo, para se produzir nanopartículas cristalinas, estáveis e que permita controlar o tamanho médio, minimizando a faixa de distribuição de tamanhos das partículas.

[009] Ademais, nanopartículas de magnetita se oxidam rapidamente, o que torna muito difícil a sua síntese. Isso torna o processo dependente da exclusão do contato com o oxigênio do ar, que deve ser efetuado concomitantemente com a síntese ou imediatamente após essa.

[0010] No estado da técnica para estabilizar a magnetita obtida são descritos documentos de patente e artigos que utilizam materiais variados para cobrir a magnetita como os exemplos a seguir.

[0011] O pedido de patente EP2578539 trata da cobertura de magnetita com carbono e descreve um método para encapsular magnetita com carbono grafítico. A síntese de magnetita foi realizada usando Fe(CO)5 como precursor em uma atmosfera inerte de argônio em temperaturas de 5 a 700 °C. Esse método tem a desvantagem de utilizar um precursor de ferro altamente tóxico e de necessitar de atmosfera de argônio para a formação de magnetita coberta com carbono. Além disso, além de carbono grafítico são formados nanotubos de carbono na superfície da magnetita.

[0012] O pedido de patente US8790615 descreve um método de síntese de nanocompósitos de magnetita/carbono usando uma solução de lignosulfonato de ferro como precursor. Após aquecimento da solução em um microondas são formadas nanopartículas de magnetita/carbono. Entretanto, o método descrito envolve várias etapas para a preparação do precursor e obtenção das nanopartículas cobertas com carbono. Além disso, este método produz uma mistura de magnetita, Fe2C>3, Fe3C, grafite e carbono amorfo.

[0013] O pedido de patente US8110520 descreve um método para preparar nanopartículas de óxidos metálicos cobertas com carbono. Um precursor orgânico é polimerizado na superfície do óxido metálico e pirolisado para produzir carbono na superfície dos óxidos metálicos. O processo tem as desvantagens de envolver várias etapas, utilização de solventes orgânicos, e o processo de pirólise deve ser realizado em alto vácuo ou em uma atmosfera inerte (N2, He ou Ar) em pressões de 10‘5- 10'1 atm e em temperaturas de 300-1500 °C.

[0014] Compósitos de Fe304/C com morfologia do tipo ouriço e distribuição de tamanho de partícula de 10-60 nm foram preparadas a partir do precursor FeOOH disperso em glicose, seguido por tratamento hidrotérmico a 180 °C por 12 h. O compósito foi preparado para uso como anodo em baterias de íon-Li. Entretanto, diferentemente de nanopartículas esféricas, compósitos do tipo ouriço não devem ser adequados para uso em biomedicina (Q. Hao, D. Lei, X. Yin et al. J. Solid State Electrochem. 15 (2011) 2563).

[0015] Compósitos de nanocristais de Fe304 disperso em uma matriz de carbono mesoporoso (CMK-3) foram preparados através da impregnação de uma solução alcoólica de Fe(N03)3-9H20 na matriz de carbono por 24 h. O produto foi aquecido a 600 °C em atmosfera de argônio por 2 h pra produzir Fe3Ü4 (10 nm)/carbono mesoporoso. Este método tem o inconveniente de longo tempo de reação e uso de atmosfera inerte para formação do compósito. Além disso, para obtenção de nanopartículas de Fe3Ü4 é necessário que o precursor seja um sal de ferro (III) F. Wu, R. Fluang, D. Mu, X. Shen, B. Wu. Journal of Alloys and Compounds 585 (2014) 783.

[0016] Compósitos à base de FesCVC foram preparados por um processo combinado de redução de hematita com um processo de deposição química a vapor com metano, pedido de patente PI0904098-6; J.C. Tristão et al. Materials Research Bulletin 46 (2011) 748. Entretanto, partículas de magnetita formadas apresentaram uma ampla distribuição de tamanho de partícula dependendo da temperatura de aquecimento (100-200 nm; 200-400 nm; 400-600 nm). Além disso, misturas de magnetita com espécies não magnéticas (hematita e Fei.xO) foram obtidas, o que deve ser uma desvantagem para aplicações que dependem da alta magnetização de saturação da magnetita. Além disso, como as nanopartículas de magnetita não são superparamagnéticas, elas não são adequadas para uso em aplicações biomédicas.

[0017] No pedido de patente: “Processo para estabilização da magnetita obtida através da redução química da hematita”, PI0406270-1, amostras sintéticas ou naturais de hematita são misturadas com carvão, de qualquer origem (vegetal, animal ou mineral) na proporção em massa de 1:5 amostra:carvão e colocadas em mufla, por um período entre uma e duas horas, a uma temperatura fixada, no intervalo entre 300 e 800° C.

[0018] No pedido de patente PI0904098-6, durante a síntese ocorre recobrimento de carbono e, no pedido PI0406270-1, imediatamente após o tratamento térmico, o material formado é imerso em glicerina. Em ambos os casos, o material depositado sob a superfície da magnetita impede o contato do ar e a oxidação da magnetita formada. Entretanto, em ambas as tecnologias há a formação de uma mistura de magnetita com uma espécie de oxido de ferro não magnética, como hematita e Fei.xO, o que inviabiliza a utilização das nanopartículas de magnetita em aplicações biomédicas.

[0019] No processo, ora descrito, nanopartículas de magnetita podem ser facilmente obtidas sem o uso de solventes e sem a necessidade de uso de atmosfera inerte (N2, He ou Ar) ou alto vácuo.

[0020] A reação de redução de óxidos ou oxidróxidos de ferro (III) por hidratos de carbono é realizada em um cadinho fechado e, desse modo, os gases gerados na combustão incompleta dos hidratos de carbono criam uma atmosfera inerte que evita a oxidação a magnetita.

[0021] As nanopartículas de magnetita são revestidas por uma película de carbono, formada durante a síntese, que protege a nanopartícula de magnetita da oxidação. Dessa forma, as nanopartículas de magnetita podem ser sintetizadas, armazenadas e, quando forem ser utilizadas, em aplicações que necessitam da superfície exposta da magnetita basta retirar o carvão.

[0022] Além disso, a síntese, ora proposta, parte de nanopartículas de óxidos ou oxidróxidos de ferro (III) sintéticos ou naturais, cujas sínteses são mais fáceis e cujos materiais são mais estáveis.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0023] A Figura 1 apresenta o padrão de difração de raios X da maghemita comercial (Mh) e de uma amostra obtida aquecendo a mistura maghemita:sacarose em temperatura superior a 150 °C (MtS4).

[0024] A Figura 2 mostra a reflexão (331) da maghemita comercial (Mh) e de uma amostra obtida aquecendo a mistura maghemita:sacarose em temperatura superior a 150 °C (MtS4).

[0025] A Figura 3 mostra o espectro Mõssbauer a 298 K da maghemita comercial (Mh) e de uma amostra obtida aquecendo a mistura maghemita:sacarose em temperatura superior a 150 °C (MtS4).

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0026] A presente invenção descreve o processo de obtenção e estabilização de nanopartículas de magnetita, com tamanho e formato controlados, através do aquecimento de amostras sintéticas, ou naturais, de óxidos ou oxidróxidos de ferro (III), como hematita, maghemita, lepidocrocita, goethita, akaganeita, feroxita, com sacarose ou outros hidratos de carbono com fórmula Cn(H20)n, como glicose, frutose, lactose, maltose, celobiose, amido, glicogênio, celulose, todos os componentes no estado sólido. O carvão produzido pela queima do hidrato de carbono forma uma película na superfície do óxido de ferro, consequentemente prevenindo a oxidação da magnetita a hematita. Essa camada de carbono pode ser removida posteriormente de forma simples para uso em processos que exijam a superfície exposta da magnetita. As nanopartículas de magnetita obtidas podem ser utilizadas em processos catalíticos que exijam pequenos tamanhos de partículas ou em processos de hipertermia magnética, como carreadores de fármacos em sistemas de liberação controlada e como agentes de contraste em imagens de ressonância magnética.

[0027] O processo de obtenção e estabilização da magnetita compreende as seguintes etapas: a) Mistura de amostra sintética ou natural de óxido ou oxidróxido de ferro (III) com hidratos de carbono com fórmula Cn(H20)n, na proporção, em massa, de 1:2, 1:3, 1:4, ou 1:5, amostra.hidrato de carbono, e colocada dentro de um cadinho tampado, na mufla; b) Aquecimento da mistura, por um período entre 10 minutos e 2 horas, a uma temperatura entre 150 e 800 °C, a uma taxa de 10°C min"1; c) Opcionalmente, a camada de carbono formada pode ser removida através da imersão do material em peróxido de hidrogênio (H2O2); após, o material deverá ser lavado com água destilada.

[0028] Os óxidos ou oxidróxidos de ferro (III) utilizados na etapa “a” compreendem, hematita, maghemita, lepidocrocita, goethita, akaganeita, feroxita, preferencialmente, hematita ou maghemita.

[0029] Os hidratos de carbono utilizados na etapa “a” compreendem sacarose, glicose, frutose, lactose, maltose, celobiose. amido, glicogênio, celulose, preferencialmente sacarose.

[0030] A presente invenção, que compreende 0 processo de obtenção e estabilização de nanopartículas de magnetita através de óxidos ou oxidróxidos de ferro (III) e hidratos de carbono e uso do produto, pode ser melhor entendida através dos seguintes exemplos, não limitantes.

Exemplo 1: Obtenção da magnetita a partir da maghemita [0031] Amostras sintéticas ou naturais de óxido de ferro (III), são misturadas com sacarose ou outros hidratos de carbono com fórmula Cn(H20)n, como glicose, frutose, lactose, maltose, celobiose, amido, glicogênio, celulose, na proporção, em massa, de 1:2, 1:3, 1:4, ou 1:5, amostra:sacarose, e colocadas em dentro de um cadinho tampado, na mufla, por um período entre dez minutos a duas horas, a uma temperatura fixada, no intervalo entre 150 e 800 °C. Quando aquecidas, as partículas da sacarose, ou outros hidratos de carbono com fórmula Cn(H20)n, sofrem volatilização, produzindo coque sólido, alcatrão e gases leves, como ilustrado pela reação: [0032] Desse modo, esses gases produzidos durante a volatilização do carvão são capazes de reduzir hematita sintética ou natural, de acordo com as equações abaixo: [0033] Após o término da redução do óxido de ferro lil a magnetita, retira-se o material obtido da mufla. Durante o resfriamento, se o material obtido é constituído por partículas finamente divididas e não está protegido contra o oxigênio do ar, ocorre a oxidação do ferro, na superfície da magnetita, reformando uma camada de hematita, que passa a capear os grãos de magnetita. A oxidação da magnetita é representada pela equação: [0034] Para evitar essa reação, foi proposta a queima incompleta da sacarose, ou outros hidratos de carbono com fórmula Cn(H20)n. Os gases formados durante a oxidação incompleta dos hidratos de carbono produzem uma atmosfera inerte in situ, inibindo a oxidação da magnetita. Nessa etapa, não há a necessidade de uma atmosfera inerte de N2, He, Ar ou alto vácuo como descrito nas tecnologias existentes reportadas anteriormente.

[0035] O carvão produzido pela queima da sacarose ou outros hidratos de carbono com fórmula Cn(H20)n forma uma película com o ar e, consequentemente previne a oxidação a hematita. Essa camada de carvão pode ser removida posteriormente de forma simples, com a imersão do material em peróxido de hidrogênio (H202) e lavagem com água destilada.

Exemplo 2: Caracterização da magnetita obtida [0036] A Figura 1 mostra o padrão de difração de raios X da amostra de maghemita reagente (Mh) e da amostra obtida, após aquecimento em temperaturas superiores a 150 °C, da mistura maghemita:sacarose (MtS). Observando a Figura 2 pode ser verificado que a intensidade relativa da reflexão (311) devido a maghemita diminuiu, ao passo que a da magnetita (311) (grupo espacial Fd-3m; JCPDS card # 19-629) aumentou, confirmando que o tratamento térmico com sacarose de fato converteu maghemita em magnetita.

[0037] Para melhor investigar a conversão de maghemita a magnetita, medidas de Mõssbauer a 298 K foram feitas com a amostra do precursor maghemita e com a amostra obtida, após aquecimento em temperatura superior a 150 °C, da mistura maghemita:sacarose. O espectro coletado é mostrado na Figura 3 e os parâmetros hiperfinos obtidos do ajuste desse espectro, estão resumidos na Tabela 1. Os parâmetros hiperfinos, obtidos para a amostra resultante estudada, indica que aproximadamente 93 % da área subespectral relativa corresponde a magnetita. A área subespectral relativa devido aos sítios octaédrico e tetraédrico da magnetita produzida nesse trabalho é igual a 1,51, próximo ao valor da magnetita estequiométrica, que é 1,88.

Tabela 1. Parâmetros hiperfinos obtidos a partir do ajuste do espectro Mõssbauer coletado a 298 K de uma amostra obtida aquecendo a mistura maghemita:sacarose em temperaturas superiores a 150 °C. δ- deslocamento isomérico relativo ao uFe; 2t = deslocamento quadrupolar; Δ - desdobramento quadrupolar; Bht = campo hiperfino e RA = área subespectral relativa. [ ] = coordenação tetraédrica, {} = coordenação octaédrica.

[0038] A Figura 4 mostra a microscopia eletrônica de varredura das partículas de magnetita obtidas pelo processo de redução química. Observa-se que as nanopartículas produzidas foram menores que 100 nm e apresentam morfologia esférica.

[0039] Medidas de área superficial determinadas pelo método de BET indicaram que as nanopartículas produzidas possuem área superficial entre 10 a 250 m2/g e tamanho de poros na faixa de 25 a 250 nm.

REIVINDICAÇÕES

Claims (6)

1. Processo para obtenção e estabilização de nanopartículas de magnetita, caracterizado por compreender as seguintes etapas: a) Mistura de amostra sintética ou natural de óxido ou oxidróxido de ferro (III) com hidratos de carbono com fórmula Cn(H20)n, na proporção, em massa, de 1:2, 1:3, 1:4, ou 1:5, amostra:hidrato de carbono, e colocada dentro de um cadinho tampado, na mufla; b) Aquecimento da mistura, por um período entre 10 minutos e 2 horas, a uma temperatura entre 150 e 800 °C, a uma taxa de 10°C min'1; c) Opcionalmente, a camada de carbono formada pode ser removida através da imersão do material em peróxido de hidrogênio (H202); após, o material deverá ser lavado com água destilada.

2. Processo para obtenção e estabilização de nanopartículas de magnetita, de acordo com a reivindicação 1, etapa “a”, caracterizado pelos óxido ou oxidróxido de ferro (III) compreenderem, hematita, maghemita, lepidocrocita, goethita, akaganeita, feroxita, preferencialmente, hematita ou maghemita.

3. Processo para obtenção e estabilização de nanopartículas de magnetita, de acordo com a reivindicação 1, etapa “a”, caracterizado pelos hidratos de carbono compreenderem sacarose, glicose, frutose, lactose, maltose, celobiose, amido, glicogênio, celulose, preferencialmente sacarose.

4. Nanopartículas de magnetita, caracterizadas por serem resultantes do processo descrito nas reivindicações 1 a 3.

5. Nanopartículas de magnetita, de acordo com a reivindicação 4, caracterizadas por apresentarem, preferencialmente, área superficial específica de 50 a 250 m2/g, morfologia predominantemente esférica e poros médios que podem variar entre 50 e 250 nm.

6. Uso das nanopartículas de magnetita, caracterizado por ser em processos catalíticos, em processos de hipertermia magnética, como carreadores de fármacos em sistemas de liberação controlada e como agentes de contraste em imagens de ressonância magnética.