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Desafios e Tendências em Nanotecnologia
na
Engenharia Química
Maria Helena Andrade Santana
Laboratório de
Desenvolvimento
de Processos Biotecnológicos
12/2013
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Sumário
Engenharia Química
Nanotecnologia
Desafios e Tendências
�IntroduçãoEngenharia química (EQ)Definição e EvoluçãoNanotecnologia e EQ:
Multi e Interdisciplinaridade
� EQ na interface: Nanotecnologia e Biologia
� Desafios e Tendências
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Engenharia Química
• Denominação- George Davis, 1887
Disciplina aplicadaContribuição nas mais avançadas fronteiras da
ciência
Evolução
O que é um Engenheiro Químico ?
(a) Um engenheiro que fabrica produtos químicos?(b) Um químico que trabalha em uma fábrica?
Profissional capaz de abordar resolver problemas de
engenharia onde aspectos físicos, químicos e físico-químicos
são relevantes tanto em termos de processo quanto de produto
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Áreas de interação/especialização “modernas”
• Engenharia de MateriaisEngenharia de Alimentos
• Engenharia de InterfacesEngenharia Ambiental
• Engenharia Bioquímica/de Bioprocessos
• Engenharia Biológica/genômica/metabólica
• Engenharia Química Médica/de Tecidos
• Engenharia de Petróleo e Gás natural
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Engenharia Química
QuímicaFina
Petroquímica Farmácia Biologia
......etc
Processos Produtose
Processos Escalonáveis
Engenharia Química Atual Processos e Produtos
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Multi e Interdisciplinaridade em Nanotecnologia
Campos da Ciência na Interface com a Nanotecnologia
“We found that research in any one category of nanoscience and nanotechnology tends to cite research in many other categories.”
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Forças Gravitacionais- Macro-Sistemas
---------------------------------------------1µm- ----------------------------------------) Propriedades Materiais ou Coletivas
Emergem do comportamento coletivo de trilhões de átomos
_________________1nm __________________
Átomos e Moléculas IndividuaisRegras da mecânica quântica
Nanotecnologia x Propriedades x Forças
Grandezanm µµµµm mm m
Comprimento (L) 10-9 10-6 10-3 1Área superficial (L2) 10-18 10-12 10-6 1Volume (L3) 10-27 10-18 10-9 1Área Superficial Específica (L-1) 109 106 103 1
Forças Inerciais (ααααL4) 10-36 10-24 10-12 1Forças Viscosas (ααααL2) 10-18 10-12 10-6 1Tensão Interfacial (ααααL) 10-9 10-6 10-3 1Forças Viscosas/ ForçasInerciais (ααααL-2)
1018 1012 106 1
Tensão Interfacial / ForçasInerciais(ααααL-3)
1027 1018 109 1
Forças dominantes
Propriedades
Movimento
Térmico>> Gravitacional
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Bionanotecnologia
Engenharia da Biologia
Termodinâmica da Agregação
Controle e Projeto de Processos
Engenharia Bioquímica
EstruturasDNA, RNA
Biologia Sintética(circuito genético)
Nanobiotecnologia
Nanoestruturas aplicadas à biologia
Coloides e Superfícies Transporte
Projeto de Processos
Engenharia de Reações
Síntese de Partículas
LiberaçãoControlada de Bioativos
Bionanotecnologia e Nanobiotecnologia
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Biorreatores
Sistemas MicrofluídicosSistemas Convencionais
Processos “Top-down” e “Bottom up”
Impactores e Microcanaisde Alta Pressão
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aumento da expectativa de vida
BIOMATERIAIS
PADRÃO DE VIDA
AVANÇOS NA MEDICINA
REPARAÇÕES
“LONGEVIVER”
Biomateriais têm contribuído expressivamente
para avanços na medicina moderna
Atual GeraçãoBiomateriais Funcionais
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Liberação Controlada de BioativosPrincipais marcos da Nanobiotecnologia
Liposomes
Conventionalpolymeric
nanoparticles
Magneticnanoparticles
Antibodynanoparticles
Stealthnanoparticles
Solid lipidnanoparticles
1973
Conventionalpolymeric
nanocapsules
1978 1983
1987
1990
1999
1988 1995
1994
2000Elastic
Liposomes
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Outras estruturas da Nanobiotecnologia
dendrimers nanofibersC nanotubes
nanocapsules/
nanofibersnanofilms
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... então o que é um biomaterial ?
material sintético, natural ou natural modificado, destinado a estar em contato e interagir com o
sistema biológico.ISO 10993-1:1997
Biological evaluation of medical devicesPart 1: Evaluation and testingORIGEM
SINTÉTICA
cerâmicaspolímeros
compósitos
metais ORIGEM BIOLÓGICA
autólogos
paciente homólogosdoador
heterólogosanimal
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Biomateriais- Importância
� procedimentos clínicos para restaurar ou substituirórgãos e/ou tecidos lesados
� sistemas para assistência cirúrgica
� dispositivos para realização de exames
� sistemas de liberação controlada de compostosbioativos
� implantes temporários ou permanentes
� terapias regenerativas autólogas (não cirurgicas)
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MEDICINA REGENERATIVA
…desenvolvimento e utilização de estratégias destinadas a reparar ou substituir órgãos e tecidos e células lesionados,
doentes ou deficientes metabolicamente
Engenharia de Tecidos
Plasma Rico em PlaquetasPRP
Terapia Autóloga
utiliza de células novas para a recuperação daquelas danificadas.
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Plasma Rico em Plaquetas- Medicina Regenerativa
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Plasma Rico em Plaquetas
Preparação autóloga a partir do sangue total, na qual plaquetas são concentradas em um pequeno volume de
plasma
PPP
P-PRP
PRP + BC
CENTRIFUGAÇÃO
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Condições Operacionais
Raio e M/L das fibrasLiberação controlada dos fatores de crescimento
Scaffolds para crescimento de célulastronco
Espectro mecânico
Coleta do sangue
com ou sem
anticoagulante:
Coleta do sangue
com ou sem
anticoagulante:
Recuperação
de Plaquetas
com ou sem
Buffy coat
Recuperação
de Plaquetas
com ou sem
Buffy coat
Segunda
Centrifuga
ção
Segunda
Centrifuga
ção
PRPPRP Descarte
do PPP
Descarte
do PPP
Primeira
Centrifug
ação
Primeira
Centrifug
ação
Agonist
a
Plaquet
ário
Agonist
a
Plaquet
árioFormação da rede de
fibrina
Agregação
Plaquetária e
Liberação dos FCs
Formação da rede de
fibrina
Agregação
Plaquetária e
Liberação dos FCs
Necessidade de Padronização
0
100
200
300
400
500
600
PRP Preparation PRP Clinical Application
Processo de Preparação
QUALIDADE
Adição de Nanopartículasde Ácido Hialurônico
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Platelet-Rich Plasma: Regenerative Medicine: Sports Medicine, Orthopedic, and Recovery of Musculoskeletal Injuries
Ciência Básica e Engenharia
Aplicações Clínicas
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Desafios e Tendências
• Escalonamento de Processos
• Ciências da Engenharia dos Nanosistemas
• Modelagem, Simulação e Controle de Processos
• Projeto de Reatores e Processos