A nanociência, ciência que estuda as propriedades da matéria em escala nanométrica, é uma área tão relevante para o desenvolvimento socioeconômico de Minas Gerais e do país que foi escolhida como tema da primeira reportagem da série Projetos Inspiradores, produzida em comemoração aos 40 anos da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG).
A compreensão dessa relevância passa por entender quão pequena é essa unidade. A escala nanométrica corresponde à bilionésima parte do metro (10-9 m) ou 0,000000001m. Um objeto nanométrico é 1000 vezes menor do que um objeto microscópico. Para se ter uma ideia, imagine o diâmetro de um fio de cabelo dividido em 100 mil vezes. Isso seria, por exemplo, equivalente ao diâmetro de um nanotubo de carbono.
Partículas nanométricas sempre existiram na natureza. Elas podem ser encontradas nas patas das lagartixas, em teias de aranha, em estruturas do corpo humano, nas plantas, nas tempestades de areia e até na poeira cósmica!
Foi trabalhando com materiais tão pequenos que o pesquisador e professor emérito da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Marcos Pimenta, contribuiu para o nascimento e a consolidação dessa área do conhecimento no Estado. Ele lembra que os primeiros estudos começaram a partir do surgimento do microscópio eletrônicos de varredura. “Esse instrumento permitiu que os cientistas pudessem enxergar esses materiais em escala nano e, uma vez que você consegue enxergar, você consegue estudar e propor novas aplicações”, lembra.
Marcos Pimenta em palestra para a série Projetos Inspiradores em comemoração aos 40 anos da FAPEMIG. Foto: ACS/FAPEMIG
As observações de nanomateriais em escala atômica se tornaram possíveis a partir de 1981, quando as pesquisas desenvolvidas pelos físicos Gerd Binning e Heinrich Rohrer deram origem ao microscópio de varredura por tunelamento – (Scanning Tunnelling Microscope - STM) e que lhes rendeu, em 1986, o Prêmio Nobel de Física, dividido com outro físico, o alemão Ernst Ruska.
Desde então, os estudos evoluíram consideravelmente e, em 1991, o físico japonês Sumio Iijima elucidou a estrutura atômica e a helicidade dos nanotubos de carbono utilizando a técnica de microscopia eletrônica de transmissão (Transmission Electron Microscopy - TEM). Iijima foi fundamental na identificação dessas supermoléculas de carbono, que possuem propriedades físicas notáveis. Esses materiais consistem em estruturas cilíndricas ocas, sendo formas alotrópicas do carbono — substâncias simples compostas por um único elemento, mas que exibem propriedades físico-químicas distintas devido ao seu arranjo estrutural particular.
Após passar um período sabático em 1997 com a pesquisadora norte-americana Mildred Dresselhaus, conhecida como a dama do carbono, Pimenta voltou decidido a trabalhar na área. O pesquisador lembra que, no fim da década de 1990 e começo dos anos 2000, já havia na UFMG estudos relacionados a nanotubos de carbono, em especial utilizando a espectroscopia Raman para investigar as suas propriedades eletrônicas, o que permitiu um certo pioneirismo em Minas Gerais na área de nanociência.
“Claro que uma das propostas de se trabalhar com nanomateriais é reduzir o tamanho dos componentes, mas o mais interessante é que quando você reduz o tamanho, eles ganham novas propriedade e é isso que nos interessa. Então, a partir das pesquisas do Prof. Luiz Orlando Ladeira, conseguimos produzir amostras de nanotubos de carbono na UFMG, que foi uma ação pioneira para as pesquisas desenvolvidas na época”, afirma.
Capital humano
Nesse contexto, a UFMG começou a formar recursos humanos na área, por meio da orientação de trabalhos de graduação, mestrado, doutorado e pós-doutorado. Em 2002, a Universidade conseguiu recurso do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) que viabilizou a criação do Instituto do Milênio de Nanociência, com participação de vários estados do Brasil, mas com coordenação da UFMG. À época, o instituto trabalhava com nanomateriais de carbono, poliméricos, biológicos, magnéticos e semicondutores.
De acordo com Pimenta, esse projeto permitiu o desabrochar dessa área, pois foi com ele que chegaram recursos para equipamentos e para as bolsas de formação de recursos humanos, inclusive de pós-doutorandos. Quando o Instituto acabou, em 2005, foi criada a Rede Nacional de Pesquisa em Nanotubos de Carbono, que reuniu 40 pesquisadores de todo o Brasil e, mais uma vez, estava centralizada na UFMG. Com ela, os trabalhos na área de nanomateriais de carbono do Instituto do Milênio continuaram a ser conduzidos.
Em 2009, com recurso da FAPEMIG e do CNPq, foi criado Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Nanomateriais de Carbono (INCT), que teve sua primeira fase (2009 a 2014) e a já está na segunda, de 2014 a 2025. “Com todas essas iniciativas, são 23 anos de trabalho. Isso nos faz perceber que o sucesso de uma área vem da continuidade de grandes projetos, para que tenhamos recursos para manter os equipamentos atualizados, ter insumos e para manter as pessoas trabalhando”, afirma.
Entre 2009 e 2024, a FAPEMIG investiu mais de R$10,9 milhões no INCT Nanomateriais de Carbono, o que possibilitou o avanço nas pesquisas. Ainda hoje a UFMG é reconhecida pela formação de recursos humanos de alto nível na área de nanotecnologia em diversas áreas do conhecimento. Além dos Institutos de Tecnologias voltados a estudos nesse campo, a Universidade tem incubadoras de empresas e contribui para a formação de estudantes vindos de outras universidades.
Grafeno
Além dos nanotubos de carbono, outro material fundamental para o avanço dos estudos em nanomateriais é o grafeno, composto por uma única folha de grafite feita de átomos de carbono organizados em um arranjo hexagonal, similar à estrutura geométrica de um favo de mel. O material bidimensional é considerado o mais fino e resistente do mundo. Tanto os nanotubos de carbono quanto o grafeno têm várias similaridades e várias aplicações semelhantes.
Apesar de serem parecidos, o grafeno só foi identificado em 2004, na Universidade de Manchester, no Reino Unido, pelos físicos Andre Gein e Konstantin Novoselov. O trabalho foi reconhecido com outro Prêmio Nobel de Física, dessa vez em 2010, e abriu as portas para uma série de estudos inéditos pelo mundo.
A pesquisadora do Departamento de Química da UFMG, Glaura Goulart, vivenciou esses avanços e foi uma das pessoas que soube explorar bem esse campo de oportunidades. Trabalhando com materiais avançados, dispositivos de armazenamento de energia e aplicações de compósitos com nanomateriais – mistura de nanomateriais com materiais convencionais como o plástico – com nanotubos de carbono e grafeno, ela segue atuando para que as tecnologias se expandam.
A cientista conta que, com os trabalhos desenvolvidos entre 2008 e 2010, a UFMG foi demandada a desenvolver projetos em grande escala para a indústria da construção civil, setor de plásticos e borrachas e indústria petrolífera. Nesse contexto, o grupo foi desafiado a desenvolver plantas-piloto que fossem capazes de trabalhar com projetos em nanotecnologia que pudessem ser produzidos em maior escala. “Já tínhamos um trabalho junto com a Petrobras e, em 2010, reunimos um conjunto de pesquisadores de diferentes áreas, para trabalharmos em algo bastante ambicioso, que viabilizasse a criação de um Centro de Ciência e Tecnologia com muitas vertentes. Para a elaboração do projeto, desse que viria a ser o atual CTNano, nós contamos com um recurso-semente da FAPEMIG”, lembra.
Pesquisadora Glaura Goulart trabalha com materiais avançados, dispositivos de armazenamento de energia e aplicações de compósitos com nanomateriais com CTNano/UFMG. Foto: Bárbara Teixeira -FAPEMIG
CTNano
O Centro foi construído por meio de um projeto da UFMG desenvolvido em parceria com o Funtec (Fundo Tecnológico do BNDES), com apoio da Petrobras e da Intercement, além do suporte do Estado de Minas Gerais e do Parque Tecnológico de Belo Horizonte (BH-Tec). Atualmente é reconhecido como um centro de inovação voltado ao desenvolvimento de tecnologias em nanomateriais, tais como nanotubos, grafeno e nanocilindros de ouro, entre outros. Possui cerca de 40 patentes depositadas em nanomateriais, vários projetos de P&D e de prestações de serviços em desenvolvimento, diversos artigos publicados, além de ter 150 colaboradores que, juntos, formaram aproximadamente 200 pesquisadores.
Desde então, o Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno da Universidade Federal de Minas Gerais (CTNano/UFMG) vem avançando. “Se há alguns anos nós produzíamos os nanomateriais em uma escala de gramas, avançamos para dezenas de gramas, depois para quilogramas e chegamos a toneladas. Assim começarmos a desenvolver projetos tecnológicos, mais robustos em termos de quantidade e qualidade, tanto na cadeia de nanotubos de carbono e grafeno, quanto com nanocompósitos e nanosensores”, acrescenta Goulart.
O pesquisador e coordenador do CTNano, Rodrigo Gribel Lacerda, trabalha com o desenvolvimento de dispositivos baseados em tintas de nanotubos de carbono e grafeno, com destaque para a produção de nanosensores para gases, líquidos e biomoléculas e sabe bem a dimensão desse avanço. Desde que começou a trabalhar com grafeno, partiu para o desenvolvimento de diversos tipos de sensores, como de gases, líquidos e pressão. “Desenvolvemos um sensor de deformação (strain gauge nanoestruturado) altamente eficiente, capaz de medir a variação relativa no comprimento de um material. Esses sensores podem ser aplicados para monitoramento em tempo real da integridade estrutural, como em grandes equipamentos de mineração, por exemplo. Embora já existam sensores similares no mercado, o nosso se destaca por apresentar um custo de produção significativamente reduzido e uma sensibilidade de 10 a 100 vezes superior à dos strain gauges convencionais.”, explica.
Exemplos de sensores produzidos a partir de suspensão de grafeno e nanotubos de carbono. Foto: CTNano/UFMG.
Gribel cita outro tipo de aplicação, dessa vez na linha de sensores para líquidos. Eles permitem determinar a adulteração de combustíveis, por exemplo. Funcionam como se fossem uma esponja, que permite que o líquido seja absorvido por ele e consiga identificar se o combustível está ou não adulterado. Na área de petróleo e gás, há outro nanosensor de grafeno com potencial para identificar vazamento de hidrogênio verde em uma nova linha de produção de geração de energia. “Temos um projeto com a Petrobras em fase avançada para testes em campo de sensores seletivos feitos de nanotubos de carbono para detectar a presença de CO2 em gás natural. A vantagem é que o dispositivo é mais simples de ser usado e tem um custo menor”, avalia.
Unidade Embrapii
Desde 2010, o CTNano tem a missão de ser um braço da Universidade que promova o desenvolvimento de produtos em parceria com empresas. A partir de 2018, os pesquisadores do CTNano estudaram o ecossistema nacional de inovação e perceberam que o Centro tinha todas as condições para ser uma Unidade Emprapii. “A decisão foi tomada por ser uma iniciativa de muito sucesso do Governo Federal, efetivar o aporte e cofinanciamento para desenvolvimento de projetos de alta qualidade e complexidade junto a empresas, com muita excelência. Nos credenciamos em 2023, com o foco no desenvolvimento da cadeia do grafeno, os nanocompósitos e os nanossensores”, conta Glaura Goulart, que também é coordenadora a Unidade Embrapii do CT Nano.
Nesse cenário, além de manter as parcerias com as empresas âncoras, como Vale Petrobras, a Unidade lida com a necessidade de prospectar outros parceiros. Para Goulart, o desafio está na captação das empresas do meio da cadeia, as pequenas e médias empresas que irão fabricar produtos com nanomateriais.
Rodrigo Gribel acrescenta que vencer o Vale da Morte – período crítico de uma startup em que a tecnologia está amadurecida e precisa de recursos que possibilitem seu desenvolvimento e comercialização – ainda é um grande desafio. “Nessa fase, a prova de conceito já está pronta, então falta aquela parceria que vai dar seguimento ao negócio. Como o CTNano não é uma indústria, podemos chegar até certo ponto, depois tem que ter alguém para que essa tecnologia possa ser transferida, como as startups que temos no Centro, por exemplo”, explica. Apesar de reconhecer que já existem iniciativas que apoiam essa etapa no percurso das empresas de tecnologia, o pesquisador acredita que ainda são necessárias medidas de apoio e financiamento permanentes nesse sentido.
Parcerias que salvam
Da indústria de combustíveis à saúde humana. As aplicações das nanotecnologias são tão amplas que também estão presentes em técnicas diagnósticas, medicamentos e vacinas. O sub-coordenador do Centro Institucional de Tecnologia e Inovação (CT) em Terapias Avançadas e Inovadoras da UFMG e pesquisador da Unidade Embrapii Fármacos e Vacinas da mesma universidade, Frédéric Jean Georges Frézard, acredita que trabalhar as parcerias é o que garante que as nanotecnologias cheguem a quem precisa. O pesquisador conduz estudos na área de nanossistemas carreadores de fármacos e vacinas contra doenças infecciosas. Tem contribuições significativas na farmacologia de medicamentos usados contra a leishmaniose e a melhoria de sua entrega por meio de abordagens químicas e nanotecnológicas.
Na área de doenças negligenciadas, como a esquistossomose e a leishmaniose, Frézard trabalha para o rejuvenescimento e aprimoramento de fármacos, com o objetivo de tornar os medicamentos mais eficazes e menos tóxicos ao organismo. Com a covid-19, trabalhou em um grupo de desenvolvimento de uma plataforma nanotecnológica de vacinas de DNA, de modo a conseguir uma solução efetiva e de menor custo comparada às vacinas de RNA. “Nosso esforço é trabalhar a interface universidade/empresa, de forma que consigamos colocar os medicamentos no mercado. Também temos um projeto em desenvolvimento com uma empresa farmacêutica da área veterinária para o viabilizar um novo medicamento para tratamento da leishmaniose visceral canina”, conta.
Em outra frente de trabalho, Frézard trabalhou em uma solução que viabilizou a criação da startup Lipid Solutions, junto com sua doutoranda Sabrina Mendes. A tecnologia foi desenvolvida na UFMG, está protegida com um pedido de patente e envolve o desenvolvimento de novos processos escalonáveis voltados ao nanoencapsulamento de medicamentos. Com a metodologia, será possível preparar formulações por meio de nanovesículas com grande potencial para a ministração de princípios ativos por via oral, intranasal e até tópica, tornando o processo menos invasivo e sem a necessidade de o paciente estar em ambiente hospitalar. A proposta foi reconhecida com prêmio Startup Award do Innovation Hub 2024, categoria Nanotecnologia, promovido pela Merck Life Science Brasil.
Mesmo com esse reconhecimento, o pesquisador aponta algumas barreiras para o desenvolvimento desse tipo de tecnologia no Brasil – como o fato de empresas nacionais ainda usarem processos convencionais de fabricação de medicamentos. Para ele, é preciso criar processos que permitam trabalhar essas nanopartículas de forma escalonável. “Tanto na academia como nas startups, temos que desenvolver processos que possam ser transpostos da escala laboratorial para a industrial. A maior parte das empresas ainda não incorporou a nanotecnologia em seu processo produtivo. Por isso que, quando a gente tem um novo processo de fabricação, é importante para a indústria, pois ela viabiliza a fabricação em larga escala”, lembra.
Frézard explica porque a nanotecnologia pode ser aplicada a medicamentos com princípios ativos tão variados – com aplicações que vão desde o tratamento de infecções a alguns tipos de câncer. De acordo com o cientista, os medicamentos nanotecnológicos ajudam a proteger os ativos de uma degradação rápida no organismo, prolongando sua presença, e a entregá-los de forma mais específica. “No caso da leishmaniose visceral, fígado, baço e medula óssea são diretamente atingidos. Quando você administra o fármaco injetável em uma forma nanocarreada, você aumenta muito a concentração do fármaco nos lugares de infecção. Isso reduz também a concentração do fármaco nos rins e coração, reduzindo os níveis de toxicidade”, exemplifica.
Essa área também faz parte dos estudos conduzidos pelo professor titular do Departamento de Química da UFMG, Rubén Dario Sinisterra. O pesquisador coordena o CT-Nanobiomateriais e a Unidade Embrapii Inovação em Fármacos e Vacinas, FarmaVax, todos da UFMG. Com trabalhos voltados aos sistemas de liberação controlada de fármacos e biomateriais, as pesquisas de Sinisterra se concentram no uso de ciclodextrinas – que são oligossacarídeos cíclicos obtidos a partir de amido da degradação biotecnológica de amido de milho. Esses oligossacarídeos têm propriedades físico-químicas únicas que aumentam a solubilidade e, em muitos casos, o aumento da biodisponibilidade, reduzindo a toxidez dos fármacos.
O pesquisador explica que as ciclodextrinas são usadas em diversas indústrias. Na farmacêutica, como ingrediente de preparação terapêutica e para formar complexos de inclusão com o princípio ativo. Na indústria alimentícia, servem para encapsular compostos e flavorizantes. Na indústria têxtil, são usadas para tingir fibras. Na cosmética, forma complexos de inclusão com substâncias pouco solúveis em água. As ciclodextrinas também são usadas em compostos de inclusão de defensivos agrícolas, bem como de nutrientes de plantas para uso de liberação controlada em cultivos agrícolas.
“As principais vantagens das ciclodextrinas são o aumento da solubilidade, dissolução e liberação sustentada de fármacos. Elas melhoram a biodisponibilidade, estabilidade e segurança de fórmulas farmacêuticas, mascaram o cheiro e o sabor desagradáveis de alguns fármacos e diminuem a volatilidade, evitando incompatibilidades indesejáveis. Também aceleram o início da ação farmacológica em comparação com o fármaco isolado”, detalha Sinisterra.
Nesse contexto, o CT-Nanobiomateriais, sub-coordenado pelo pesquisador Luiz Carlos Oliveira, especialista em compostos com Nióbio, foi criado com dois focos de atuação: Sistemas de Liberação Controlada de Fármacos e Materiais Inteligentes, visando à geração de tecnologias de alto valor agregado que possam ser transferidas para empresas e/ou gerar novos empreendimentos. As duas áreas somam 91 patentes depositadas. Dessas, 38 patentes estão concentradas na área de liberação controlada de antimicrobianos, antivirais e anticancerígenos, e 21 em materiais inteligentes. “Esses números mostram o grande potencial de geração de tecnologias oriundas de nossas pesquisas e, por outro lado, evidenciam a necessidade e de criar espaços institucionais na UFMG que permitam atingir novos estágios de desenvolvimento das tecnologias, gerando uma maior competitividade para transferência, negociação ou geração de novos empreendimentos (startups ou spin-offs)”, acredita.
Desafios
Sinisterra acredita que as áreas de fármacos, biofármacos e vacinas são relevantes e estratégicas para a soberania do Brasil. Para que o país se torne referência, ele julga que ainda falta uma consolidação do sistema nacional de inovação em que haja grupos de pesquisa nessa área estratégica que englobem o desenvolvimento de pesquisa básica, aumento do know-how e conhecimento, de poder fazer pesquisa translacional da ideia ao produto, que consiga ir além das fronteiras da universidade e possam gerar novos processos e produtos no mercado. “Considero que uma de nossas dificuldades nem sempre é a falta de financiamento e, sim, a continuidade dos esforços para a consolidação definitiva dessa capacidade institucional, de infraestrutura e apoio na formação de recursos humanos de ponta para poder desenvolver pesquisa básica de qualidade, base da inovação”, afirma.
Marcos Pimenta também acredita que o caminho passa pelo fortalecimento da pesquisa básica e destaca que todos os trabalhos desenvolvidos atualmente no CTNano começaram a partir desses estudos. “Quando você entende de ciência básica, você consegue se adaptar facilmente a novas situações. Se você só compra tecnologia, quando aquela tecnologia se torna obsoleta, é preciso comprar uma tecnologia semelhante, pois não tem domínio sobre ela. Mas se você desenvolveu uma tecnologia a partir do conhecimento de ciência básica, consegue adaptar e desenvolver tecnologias paralelas, porque tudo aquilo está ancorado num conhecimento sólido, baseado na ciência básica, que é fundamental”, afirma o pesquisador.
Além da necessidade de trabalhar ciência básica, aplicada e inovações de forma integrada, Glaura Goulart acrescenta, ainda, outros dois pontos que precisam ser pensados na atualidade para que a nanotecnologia avance: buscar soluções sustentáveis e considerar as disputas geopolíticas. “Se estamos pensando o futuro, com carros elétricos e cada vez mais soluções a partir de nanomateriais, nós precisamos atuar na questão da sustentabilidade desde o início do desenvolvimento dos projetos, de maneira que possamos dimensionar o impacto e a contribuição de cada um. Em relação à geopolítica, que disputa os espaços em que extraímos, por exemplo o lítio e outros materiais, precisamos criar soluções próprias, que não dependam de espaços que estão sendo disputados”, sugere.
Para o presidente da FAPEMIG, Carlos Arruda, os desafios para manter a área de nanociência aquecida em Minas são muitos, mas eles passam necessariamente por apoiar todas as gerações de pesquisadores. “Ficamos muito felizes por termos colaborado com recursos para que o Marcos Pimenta, quando ainda era um jovem pesquisador nos anos 1990, comprasse um importante equipamento que contribuiu para a sua pesquisa durante todos esses anos. Nosso papel é criar as condições adequadas para que as pessoas se desenvolvam e a ciência e a inovação do Estado possam gerar ainda mais benefícios para a sociedade”, afirma.
