Sistema de purificação de água por uso de filmes poliméricos com nanopartículas de prata

  • Número do pedido da patente:
  • BR 10 2012 005946 0 A2
  • Data do depósito:
  • 16/03/2012
  • Data da publicação:
  • 18/03/2014
Inventores:
  • Classificação:
  • C02F 1/28
    Tratamento de ?gua, ?guas residuais, ou de esgotos; / por sor??o;
    ;
    B82Y 30/00
    Nano tecnologia para ci?ncia de materiais ou de superf?cies, p. ex. nano comp?sitos;
    ;

SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA POR USO DE FILMES POLIMÉRICOS COM NANOPARTÍCULAS DE PRATA Trata-se de um protótipo.a ser aplicado na purificação da água que se apresenta como uma nova tecnologia aplicada na eliniinaçio de microorganismos nocivos aos seres humanos. Consiste de uma fina camada de polímero convencional (povinil álcool, polimetil metacrilato, poliestireno, poliuretano) contendo nanopartículas uniformemente dispersas que recobre o volume de pequenos cascalhos, tratados previamente para terem ranhuras em sua superficie, maximizando a aderência do filme polimérico. A preparaçio das nanoparticulas de prata se dá pelo método convencional, quando 100 ml. de solução aquosa de dodecil sulfato de sódio (10 inM) são adicionados a 9 mg de nitrato de prata e aquecida a 95C por 30 minutos, após o qual se tem a inserção de citrato de sódio a uma concentração de 1%. Após a síntese das nanoparticulas de prata se tem a solubilização da matriz polimérica na dispersão coloidal e subsequente deposição sobre os cascalhos tratados com ranhuras. Para promover a deposiçio do filme se faz um pré-aquecimento nos cascalhos a uma temperatura da ordem de 900C, após o que é efetivada a deposição do filme sobre a superficie do sólido, a ser depositado nos reservatórios com água a ser tratada.

Página de 1

Documento

SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA POR USO DE FILMES POLIMÉRICOS COM NANOPARTÍCULAS DE PRATA

Introdução

A presente invenção refere-se a uma tecnologia a ser agregada no 5 desenvolvimento de sistemas antibacterianos, a partir da utilização de quantidades pré-defínidas de nanopartículas de prata dispersas em matriz polimérica, depositadas como uma fina película sobre superfícies rugosas, como pequenos cascalhos, permitindo quantificar o total de antibactericida disperso em um total de água a ser tratada.

Estado da técnica

10    A água é um dos elementos indispensáveis à vida, sendo uma das principais

substâncias ingeridas pelo ser humano (OKURA, M. H.; SIQUEIRA, K. B. Enumeração de coliíòrmes totais e coliformes termo-tolerantes em água de abastecimento e de minas. Revista Higiene Alimentar, São Paulo, v. 19, n. 135, p. 86-91, set. 2005; NETO, A. F.; SILVA, J. L.; MOURA G. J. B.; CALAZANS, G. M. T. Avaliação da qualidade 15 da água potável de escolas públicas do Recife, PE. Revista Higiene Alimentar, São Paulo, v. 20, n. 139, p. 80-82, mar. 2006.). A água doce corresponde a 1% de toda a água do planeta e, em seu estado natural, representa um dos componentes mais puros, porém esta característica vem se alterando e hoje ela é um importante veículo de transmissão de inúmeras doenças (REIS, J. A.; HOFFMANN, P.; HOFFMANN, F. L. 20 Ocorrência de bactérias aeróbias mesófilas, coliformes totais, fecais, e Escherichia coli, em amostras de águas minerais envasadas, comercializadas no município de São José do Rio Preto, SP. Revista Higiene Alimentar, São Paulo, v. 20, n. 145, p. 109-116, out. 2006.).

Segundo a Organização Mundial da Saúde, cerca de 80% das doenças que 25 ocorrem em países em desenvolvimento são veiculadas pela água contaminada por microrganismos patogênicos (COELHO, D. A.; SILVA, P. M. F.; VEIGA S. M. O. M.; FIORINI, J. E. Avaliação da qualidade microbiológica de águas minerais comercializadas em supermercados da cidade de Alfenas, MG. Revista Higiene Alimentar, São Paulo, v. 21, n. 151, p. 88-92, maio 2007). Isto se deve ao fato de apenas 30    30% da população mundial ter água tratada e os outros 70% terem poços como fonte de

água, facilitando assim sua contaminação (FERNANDEZ, A.T.; SANTOS, V. C. Avaliação de parâmetros físico-químicos e microbiológicos da água de abastecimento

escolar, no município de Silva Jardim, RJ. Revista Higiene Alimentar, São Paulo, v. 21, n. 154, p. 93-98, set. 2007). A contaminação da água é dada tipicamente em função da descontinuidade do fornecimento, da falta de rede de esgoto, da manutenção inadequada da rede e reservatórios, agrotóxicos e aterros sanitários, que contaminam os lençóis 5 freáticos (SOARES, S. R. A.; BERNARDES, R. S.; NETTO, O. M. C. Relações entre saneamento, saúde pública e meio ambiente: elementos para formulação de um modelo de planejamento em saneamento. Revista Caderno de Saúde Pública, Rio de Janeiro, v. 18, n. 6, p. 1713-1724, nov./dez. 2002; BETTEGA, J. M. R.; MACHADO, M. R; PRESEBELLA, M.; BANISKI, G.; BARBOSA, C.A. Métodos analíticos no controle 10 microbiológico da água para consumo humano. Revista Ciência Agrotécnica, Lavras, v. 30, n. 5, p. 950-954, set./out. 2006).

Os coliformes são os microrganismos mais utilizados para indicar contaminação fecal de humanos ou animais em água, o que a toma imprópria para o consumo humano (MICHELINA, A. de F.; BRONHAROA, T. M.; DARÉB, F., PONSANOC, E. H. G.

15 Qualidade microbiológica de águas de sistemas de abastecimento público da região de Araçatuba, SP. Revista Higiene Alimentar, São Paulo, v. 20, n. 147, p. 90-95, dez. 2006). De acordo com a Portaria número 518 do ano de 2004 do Ministério da Saúde (BRASIL, 2004). É definida como água para consumo humano aquela livre de Escherichia coli ou coliformes termotolerantes, sendo recomendado sua ausência em 20    100 mL (FORTUNA, J. L.; RODRIGUES, M. T.; SOUZA, S. L.; SOUZA, L. Análise

microbiológica da água dos bebedouros do campus da Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF): coliformes totais e termotolerantes. Revista Higiene Alimentar, São Paulo, v. 21, n. 154, p. 103-105, jul./ago. 2007.). Segundo os registros do Ministério da Saúde, no ano de 2004 foram registrados cerca de 2,4 milhões de casos de diarréia no Brasil, e 25 considera-se que a água seja responsável por 60% das internações por diarréia no país. O custo gerado para o tratamento de doenças transmitidas ou causadas por águas contaminadas, segundo o Ministério da Saúde, é equivalente a US$ 2,7 bilhões por ano (ADEODATO, S. O consumo consciente da água. Bio nutrição e saúde, ano 1, n. 2, 2006).

30    As ações da vigilância sanitária tais como, por exemplo, o controle da qualidade

da água para o consumo humano, são de suma importância, assessorando quanto à necessidade, qualidade e promoção de medidas de intervenção, sendo preventivas ou corretivas, garantindo água de boa qualidade para o consumo (TEIXEIRA, J. C.

Vigilância da qualidade da água para consumo humano - utopia ou realidade? Estudo de caso: Juiz de Fora - MG. Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, Rio de Janeiro, p. 1-4,2005).

Então, buscou-se nessa invenção um processo de redução da carga microbiana 5 com baixo custo, eficiente e segura para melhoria da qualidade da água distribuída. Assim, para essa finalidade foi testada ação de nanopartículas de prata, já que a prata é o metal que apresenta a menor toxicidade para as células animais e um produto de baixo custo. Segundo o Enviromental Protection Agency-USA (EPA, 1987), doses de 5 mg / Kg / dia de prata são aceitáveis com improváveis riscos para a saúde, sendo a dose 10 limite de 14 mg / Kg / dia. Uma pessoa com um peso de 70 Kg em uma dieta regular pode consumir até 90 mg / dia de prata.

Os efeitos do nitrato de prata podem resultar de íons de prata que combinam facilmente com sulfidrila, carboxila, fósforo, aminoácidos e outros grupos químicos biologicamente importantes. Já nas nanopartículas de prata a reatividade está 15 relacionada principalmente ao seu tamanho, demonstrando ação contra as bactérias Gram - negativas aquelas com o tamanho por volta de 5 nm. Nelas ocorre o fenômeno de troca da estrutura eletrônica na superfície, deixando as mesmas mais reativas. Outro fator importante é a estrutura cristalina que as nanopartículas apresentam. Estudos mostram que quanto maior o número de facetas nas partículas, por exemplo, com a 20 estrutura cristalina de {111}, maior será sua reatividade (MORONES, J.; ELECHIGUERRA, J.; CAMACHO, A.; HOLT, K.; KOXJRI, J.; RAMIREZ, J. YACAMAN, M. The bactericidal effect of silver nanoparticles. Nanotechnoíogy, Bristol, v. 16, p. 2346-2353, 2005.).

Nanopartículas de prata de 1 a 100 nm em contato com bactérias podem ser 25 encontradas tanto no interior das bactérias como em suas membranas, porém a interação com aglomerados de prata não é observada (MORONES et al., 2005). As nanopartículas de prata têm grande afinidade com grupos que possuem os elementos enxofre e fósforo, que são encontrados tanto nas membranas como no interior das bactérias. Sua interação ocorre com a membrana celular causando danos no processo de respiração celular e, no 30 interior das mesmas, interagem com o DNA impedindo a divisão celular (MORONES et al., 2005). A ação das nanopartículas de prata se difere da ação de seus íons, que se caracteriza pelo desenvolvimento de uma região de baixo peso molecular no centro da bactéria, a qual se acredita que seja formada por proteínas produzidas pela bactéria a

fim de complexar os íons de prata (GUGGENBICHLER, J. P.; BOSWALD, M.; LUGAUER, S.; KRALL, T. A New Technology of Microdispersed Silver in Polyurethane Induces Antimicrobial Activity in Central Venous Catheters. Infection, Miinchen, v. 27, Supplement 1, p. S16-S23, 1999 ).

Algumas patentes de invenção utilizam a prata como antibacteriana, como é o caso da PI0704750-9, o qual utiliza a prata como meio filtrante em purificadores de água e para ser adicionado a polímeros. Além dessa, outras patentes utilizam a prata para essa finalidade bactericida/ antibacteriana como C10600800-3; PI0608618-7; PI0520151-9, PI0403325-6 e PI0403649-2. No documento PI0605861-4, nanopartículas de prata foram estudadas na produção de produtos têxteis antibaeterianos e o tratamento dos efluentes produzidos.

O efeito antimicrobiano da prata (Ag) de íons ou sais são bem conhecidos, mas a ação da Ag em nanopartículas sobre microorganismos nocivos nos sistemas de água ainda não foram estudadas.

Descrição detalhada da invenção

É importante destacar que a descrição detalhada a seguir é exclusivamente exemplificativa e explanatória, e não restringem a invenção.

O sistema consiste de uma fina camada de polímero convencional (povinil álcool, polimetil metacrilato, poliestireno ou poíiuretano) contendo nanopartículas uniformemente dispersas que recobrem o volume de um suporte sólido de forma e tamanho variável que pode ser vidro, pequenos cascalhos ou superfícies metálicas, que são tratados previamente para terem ranhuras em sua superfície, maximizando a aderência do filme polimérico. A preparação das nanopartículas de prata se dá pelo método convencional, quando 100 mL de solução aquosa são adicionados a 18 mg de nitrato de prata e aquecida a 95°C por 30 minutos, após o que se tem a inserção de citrato de sódio a uma concentração relativa de 1 %. Após a síntese das nanopartículas de prata se tem a solubilização da matriz polimérica na dispersão coloidal e subsequente deposição sobre as superfícies tratadas com ranhuras. Para promover a deposição do filme se faz um pré-aquecimento dos suportes sólidos a uma temperatura da ordem de 90°C, após o que é efetivada a deposição do filme sobre a superfície do sólido, a ser depositado nos reservatórios com água a ser tratada.

Para verificação da atividade antimicrobiana in vitro das condições experimentais avaliadas, foram utilizadas cepas padrões gram-positiva, gram-negativa

de microrganismos nocivos nos sistemas de água adquiridas na. American Type Culture Collection (ATCC).

A ampola contendo a amostra padrão liofilizada foi colocada em um tubo de ensaio contendo 2,0 mL de solução salina estéril, com finalidade de reidratação das 5 amostras; em seguida as amostras foram ressuspensas em caldo de BHI; sendo incubadas por um período de 24 horas. Finalizada a etapa de incubação, foi retirado uma alíquota de 2 ou 3 colônias com auxílio de uma alça bacteriológica, para serem ressuspensas em solução salina estéril, com a finalidade de padronizar a amostra de acordo com o tubo 0,5 da escala MacFarland. Esses passos foram repetidos para cada 10 cepa padrão utilizada na pesquisa.

No presente estudo, a determinação da atividade antimicrobiana foi realizada em triplicata pelo método da técnica do poço, pelo método de difusão em Agar onde foram semeadas as culturas das cepas padrões.

Primeiro preparou-se Agar Mueller-Hinton desidratado (DIFCO) 15 reconstituído utilizando água deionizada como solvente. Após, foi levado à autoclave durante 20 minutos a 120°C para esterilização, depois da autoclavação, esperou-se resffiar até temperatura de 50°C. Transferiu-se o volume de 50 mL do meio liquefeito para placas de Petri esterilizadas de 150 x 10 mm, atingindo uma espessura de 4 mm. Deixou-o para resffiar em temperatura ambiente, dentro da capela de fluxo laminar 20 (modelo Q216F2). Uma placa foi colocada em estufa à 36°C para controle de esterilidade (observar a ausência de crescimento bacteriano) e as demais armazenadas em geladeira (2-8°C), até o momento do uso. Após esse procedimento de ressuspensão das cepas, foi realizado o procedimento para verificar a atividade antimicrobiana, pelo método de difusão em agar:

25    Inicialmente um swab (CB products-SP- BRASIL) deverá tocar a superfície da

suspensão bacteriana padronizada, com cuidado de pressioná-lo contra as paredes internas do tubo, acima do nível do líquido, a fim de remover o excesso do inoculo.

Em seguida, o swab foi passado por toda uma superfície do meio de cultura, seguindo para isso, três direções diferentes, de forma uniforme e sucessiva. Após a 30 placa ter sido completamente semeada, a mesma foi mantida fechada durante 15 minutos para permitir a sua secagem, em temperatura ambiente. Transcorrido esse período, foram perfurados 4 orifícios de 6,0 mm de diâmetro, localizados 1,5 cm

distante da borda da placa e mantidos a uma distância entre si de 3,0 cm, objetivando impedir a justaposição dos halos de inibição.

Com auxílio de uma pinça clínica estéril, cada amostra(as nanoparticulas impregnadas com nitrato de prata) foi removida para preencher, individualmente, cada 5 orifício da placa respeitando o sentido horário, ficando as mesmas em íntimo contato com o meio de cultura. Finalizada a etapa de plaqueamento pelo método descrito acima, as placas foram mantidas em temperatura ambiente por um período de 30 minutos, com a finalidade de permitir a difusão das substâncias ensaiadas, antes que ocorra o início da multiplicação bacteriana.

10    Como passo seguinte, as placas foram incubadas em posição invertida em estufa

com temperatura constante de 37°C por um período de 48 horas.

A leitura dos halos de inibição foi feita na porção externa da placa correspondente a localização do orifício realizado, sendo auxiliada por um paquímetro, sendo utilizados como controles negativos a Penicilina G para bactérias Gram-positivas 15 e Amicacina para bactérias Gram-negativas.

A ausência do halo de inibição definiu o microrganismo como resistente e os diâmetros iguais ou superiores a 10 mm foram considerados como suficientes para indicar atividade antibacteriana do produto usado, uma vez que esse foi aplicado em poços ou discos de diâmetro equivalente a 6 mm (PRETTO, J.B. ; CECHINEL- FILHO, 20 V. ; NOLDIN, F. V. ; SARTORI, K. M. R. ; BUFFON,D. ; CRUZ, A. B. Antimicrobial Activity of Fractions and Compounds ffom Calophyllum brasiliense (Clusiacceae/Guttiferae). Journal of Biosciences. volume: 59, pagina: 657-662, 2004) .

Estudos da atividade antimicrobiana nas seguintes bactérias P. aeruginosa, , E. coli e S. typhus mostraram que baixas concentações do nitrato são suficientes para inibir 25 o crescimento das mesmas (MORONES, J.; ELECHIGUERRA, J.; CAMACHO, A.; HOLT, K.; KOURI, 1; RAMIREZ, J. YACAMAN, M. The bactericidal effect of silver nanoparticles. Nanotechnology, Bristol, v. 16, p. 2346-2353, 2005).

A ausência do halo de inibição define o microrganismo como resistente e os diâmetros iguais ou superiores a 10 mm foram considerados como suficientes para 30 indicar atividade antibacteriana do produto usado, uma vez que esse foi aplicado em poços ou discos de diâmetro equivalente a 6 mm. De acordo com os resultados obtidos, a amostra (as nanoparticulas impregnadas com nitrato de prata) mostrou efeito microbicida relevante frente a bactérias nocivas envolvidas em sistemas de água.

REIVINDICAÇÕES

1-    SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA caracterizado oor ser pelo uso de filmes poliméricos com nanopartículas de prata.

2-    SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA, de acordo com a reivindicação 1, 5 caracterizado por ser composto preferencialmente por uma dispersão de

nanopartículas de prata dispersas em uma matriz polimérica depositada sobre pedras do tipo cascalho.

3-    SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por promover a eliminação de microorganismos nocivos ao ser humano.

10    4- MÉTODO DE OBTENÇÃO DE SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA,

caracterizados por utilizar filmes poliméricos com nanopartículas de prata.

RESUMO

SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA POR USO DE FILMES POLIMÉRICOS COM NANOPARTÍCULAS DE PRATA. Trata-se de um protótipo, a ser aplicado na purificação da água que se apresenta como uma nova tecnologia 5 aplicada na eliminação de microorganismos nocivos aos seres humanos. Consiste de uma fina camada de polímero convencional (povinil álcool, polimetil metacrilato, poliestireno, poliuretano) contendo nanopartículas uniformemente dispersas que recobre o volume de pequenos cascalhos, tratados previamente para terem ranhuras em sua superfície, maximizando a aderência do filme polimérico. A preparação das 10 nanopartículas de prata se dá pelo método convencional, quando 100 mL de solução aquosa de dodecil sulfato de sódio (10 mM) são adicionados a 9 mg de nitrato de prata e aquecida a 95 C por 30 minutos, após o qual se tem a inserção de citrato de sódio a uma concentração de 1%. Após a síntese das nanopartículas de prata se tem a solubilização da matriz polimérica na dispersão coloidal e subseqüente deposição sobre os cascalhos 15 tratados com ranhuras. Para promover a deposição do filme se faz um pré-aquecimento nos cascalhos a uma temperatura da ordem de 90°C, após o que é efetivada a deposição do filme sobre a superfície do sólido, a ser depositado nos reservatórios com água a ser tratada.