Polímeros em medicina Teach article

Traduzido por Maria João Fonseca. O tópico dos polímeros encontra-se frequentemente limitado às aulas de química. O projecto Establish disponibiliza algumas actividades práticas para investigar estes materiais e algumas das suas aplicações médicas.

Os polímeros são usados em
produtos do dia-a-dia, tais
como fraldas descartáveis

Imagem cortesia de SCA
Svenska Cellulosa Aktiebolaget;
Fonte da Imagem: Flickr

Nós utilizamos polímeros todos os dias, por exemplo sob a forma de plásticos, revestimentos e papel, e em produtos como fraldas e champôs. Os polímeros são moléculas de grandes dimensões constituídas por unidades estruturais repetidas.

As actividades que se seguem foram desenvolvidas para ajudar os alunos a estabelecer ligações entre o mundo macroscópico dos materiais que conseguimos ver e o mundo submicroscópico das partículas (átomos e moléculas) que não conseguimos ver, utilizando aplicações reais. Recorrem à abordagem de aprendizagem por inquérito, através da qual os alunos são encorajados a desenvolver as suas ideias com base nas suas observações das actividades práticas e posteriormente a testá-las em contextos novos.

Um paciente a ser submetido
a diálise

Imagem cortesia de
quecojones; Fonte da Imagem:
Flickr

Na primeira actividade, alunos de 13-15 anos de idade investigam a difusão de líquidos através de diferentes tipos de membranas poliméricas (Ficha de trabalho 1). De seguida, são levados a considerar uma aplicação de membranas em medicina: a forma como funciona o rim humano e como as suas funções podem ser controladas por uma máquina de diálise (Ficha de trabalho 2). O objectivo específico é compreender porque é que algumas moléculas são removidas do sangue durante a diálise enquanto outras não são. Os alunos devem também prever o que aconteceria se o fluído de diálise fosse água, levando-os à compreensão da osmose.

Na segunda actividade, alunos de 15-17 anos de idade fazem membranas de policloreto de vinilo (PVC) e investigam o seu comportamento físico e químico. Posteriormente fazem e testam uma membrana antibacteriana de PVC (Ficha de trabalho 3). Como extensões desta actividade, os alunos podem investigar membranas feitas com diferentes plastificantes, ou determinar a eficácia antibacteriana de membranas contendo diferentes metais ou diferentes quantidades de metais.

As três fichas de trabalho podem ser descarregadas em formato Word ou PDF do website da Science in Schoolw8.

Membranas com poros invisíveis

Nesta actividade, é pedido aos alunos que reflictam acerca do mundo invisível dos átomos e das moléculas e, através da sua compreensão da actividade, irão perceber a natureza particulada da matéria. Estas actividades podem ser usadas para demonstrar quer a existência de moléculas, quer os diferentes tamanhos dessas moléculas. Os alunos investigam a difusão de partículas através de diferentes tipos de membranas, e de seguida aplicam o que aprenderam a uma situação em que devem considerar o rim e a diálisew1.

Imagem cortesia de Peter
Asquith; Fonte da Imagem:
Flickr

Os alunos já terão tomado contacto com a utilização de crivos para separar misturas e a necessidade de utilizar um crivo de porosidade adequada. O professor pode recorrer ao contexto de embalar comida para introduzir o conceito de membranas de plástico, podendo depois o aluno levar a cabo a investigação descrita em baixo com diferentes membranas. O professor deve estimular a discussão de possíveis explicações para os resultados. Se necessário, pode encorajar o desenvolvimento da ideia de que há partículas de diferentes tamanhos e membranas com poros de tamanhos também diferentes.

A ideia é utilizar uma variedade de películas/ membranas, como por exemplo sacos plásticos baratos, películas de embalar comida ou sacos para alimentos, para investigar o movimento de partículas de iodo através de diferentes membranas. Os alunos devem preparar várias experiências, conforme sugerido na Tabela 1. O professor deve testá-las antecipadamente, para se certificar que permitem obter uma diversidade de resultados suficientes.

Tubo número

Membrana

Tabela 1: Opções de membranas para a investigação acerca de ‘poros’

1

Sem membrana

2

Tampa de frasco de compota

3

Saco plástico ou película aderente

4

Luva de látex

Os alunos devem aprender a:

  • Tirar conclusões com base em observações
  • Explicar o fenómeno através da existência de poros invisíveis e do movimento das partículas
  • Distinguir explicações alternativas e debatê-las com os colegas.

Ficha de trabalho 1: membranas com poros invisíveis

Materiais

  • Solução de iodo (aproximadamente 0.05 M)
  • Solução de amido (aproximadamente 0.12% p/v)
  • Uma selecção de diferentes películas de plástico

Procedimento

Investiga o movimento das partículas de iodo através de diferentes membranas. Faz um pequeno saco a partir da cada membrana e coloca-o num tubo contendo solução de amido, conforme ilustrado na Figura 1. Verte uma porção de solução de iodo em cada saco e observa o que acontece.

Figura 1: Esquema experimental
Imagem cortesia de Establish project
  1. Regista as tuas observações na Tabela 2.
Tabela 2: Resultados da tua experiência

Cor no início

No saco pequeno

       

No tubo

       

Cor no final

No saco pequeno

       

No tubo

       
  1. Consegues explicar o que está a acontecer?
  2. Consegues fazer corresponder cada um dos teus tubos (1-4) a um dos diagramas (A-D) na Figura 2?
Figura 2: Que situação corresponde a cada um dos teus tubos de ensaio?
Imagem cortesia de Establish project
  1. O que aconteceria em cada tubo se se trocassem as soluções: se ao início, a solução de moléculas de menores dimensões estivesse no tubo e a solução de maiores dimensões estivesse na membrana (Figura 3)? Insere as tuas previsões na Tabela 3.
Figura 3: O que aconteceria se as soluções fossem trocadas?
Imagem cortesia de Establish project
Tabela 3: As tuas previsões caso as soluções fossem trocadas
    1 2 3 4

Cor no início

No saco pequeno

       

No tubo

       

Cor no final

No saco pequeno

       

No tubo

       


 

Ficha de trabalho 2: rins e diálise

O rim humano é um órgão espantoso, que tem duas funções essenciais: a manutenção do equilíbrio hídrico no organismo, e a excreção de ureia, sais e água. Todos os dias, os rins filtram 180 l de fluído a partir do sangue – a maior parte do qual é reabsorvido, juntamente com todos os nutrientes que o organismo ainda precisa, tais como glicose e aminoácidos. A partir dos 180 l de fluído que filtram, os rins produzem cerca de 2 l de urina, contendo resíduos como a ureia, que é tóxica para o organismo. A urina é então armazenada na bexiga antes de ser excretada.

Como funciona o rim. Carrega na imagem para ampliar. Para uma perspectiva extra grande, carregar aqui.

a) Perspectiva geral do rim. A filtração ocorre em 3 milhões de nefrónios, a cujos capilares o sangue chega sob pressão. Imagem cortesia de Piotr Michał Jaworski; Fonte da Imagem: Wikimedia Commons

b) Estrutura detalhada de um nefrónio. Moléculas de reduzidas dimensões e água são filtradas a partir do sangue através de poros na parede da cápsula de Bowman. Em partes subsequentes do nefrónio, são reabsorvidas moléculas de que o organismo necessita
Imagem cortesia de http://osmoregulation-apbio3.wikispaces.com

  1. Porque é que pensas que normalmente não existem proteínas plasmáticas na urina, apesar de estas se encontrarem em solução no plasma sanguíneo?
  2. Como consequência de certas lesões ou doenças, podem aparecer células sanguíneas na urina. O que poderá ter acontecido para causar isto?

Se os rins de uma pessoa falharem, a morte ocorrerá em cerca de quatro dias, uma vez que a ureia se acumula e o organismo perde o controlo do seu equilíbrio hídrico. A vida da pessoa pode ser salva com a ajuda de diálise; tipicamente isto envolve três visitas por semana ao hospital. Durante a diálise, que demora cerca de seis a oito horas, o sangue é removido do organismo do paciente através de um tubo, e circula até uma máquina onde passa junto a um filtro designado por membrana de diálise. Uma solução de diálise específica circula do outro lado da membrana. A composição desta solução assegura que a ureia passa através da membrana desde o sangue até ao fluído de diálise, mas a glicose e os aminoácidos não. O sangue – sem ureia – é então devolvido ao corpo.

  1. Porque é que os glóbulos vermelhos e as proteínas plasmáticas não são removidos do sangue durante a diálise?
  2. A ureia, a glucose e os aminoácidos são moléculas de tamanho idêntico. Porque é que a ureia passa através da membrana de diálise, mas a glicose e os aminoácidos não passam?
  3. O que aconteceria se se usasse água como fluído de diálise?
  4. De que forma poderia a diálise ser utilizada para remover sais em excesso?

 

Películas de PVC
impregnadas de prata,
exibindo diferenças em
relação à zona de inibição
com carga de prata (Ag)

Imagem cortesia de James
Chapman, Dublin City
University

PVC Antibacteriano

Nesta actividade, os alunos fazem membranas de PVC e investigam o efeito de um plastificante nas propriedades físicas e químicas da membrana (estas membranas também podem ser utilizadas na primeira actividade). Os alunos fazem então uma membrana de PVC contendo partículas de prata, e testam as suas propriedades antibacterianas, incubando-a durante a noite.

Para uma investigação mais avançada, os alunos poderão compreender melhor as propriedades antimicrobianas da membrana, incorporando diferentes concentrações de prata em membranas e examinando o efeito da concentração nas zonas de inibição observadas. Exemplos característicos são apresentados à direita.

Estirpes não patogénicas de Escherichia coli podem ser obtidas a partir da American Tissue Culture Collection (ATCC)w2. BAA 1427. Especificamente, a estirpe BAA 1427 é uma estirpe substituta não patogénica indicada para utilização nesta experiência.

 

Ficha de trabalho 3: sintetizando e investigando PVC antibacteriano

O polímero policloreto de vinilo (PVC) é um plástico durável e económico utilizado em tubagens, sinais rodoviários e roupa. Frequentemente são adicionados plastificantes para o tornar mais flexível e fácil de manipular. Nesta actividade, irás fazer uma membrana de PVC com e sem plastificante, e comparar as suas propriedades físicas e químicas.

As membranas antimicrobianas são utilizadas em muitas tecnologias médicas, e são produzidas através da incorporação de micropartículas de prata e de outros metais nos polímeros. Na presença de oxigénio (no ar) e água, as partículas de prata elementar reagem, formando iões prata (Ag2+), que podem degradar paredes celulares, inibir a reprodução celular e perturbar o metabolismo de algumas bactérias, vírus, algas e fungosw3, w4.

Materiais

  • Solvente: oxolane (tetrahidrofurano, (CH2)4O)
  • Pó de PVC
  • Sebacato de dibutilo ou outro plastificante
  • Nitrato de prata (AgNO3)
  • Citrato trissódico (Na3C6H5O7)
  • Agar nutritivo
  • Cultura bacteriana (por exemplo, E. coli num caldo nutritivo)
  • Uma placa de aquecimento
  • Um agitador magnético
  • Gobelés de 55 ml
  • Um suporte de vidro (por exemplo, um gobelé, vidro de relógio ou lâmina de vidro)
  • Um cilindro graduado
  • Uma pipeta de Pasteur
  • Uma espátula
  • Placas de Petri
  • Ansas de inoculação

Procedimento

Nota de segurança: Todos os procedimentos devem ser realizados numa hotte. O tetrahidrofurano é um líquido altamente inflamável e o seu vapor pode causar severas irritações oculares. Deve ser manipulado cuidadosamente numa hotte e devem ser usadas luvas quando este for utilizado.

1) Fazer PVC sem um plastificante

  1. Usando a placa de aquecimento e um agitador magnético, aquecer 20 ml de solvente.
  2. Adicionar 1.5g de pó de PVC lentamente, e agitando.
  3. Após cerca de 10 min, a solução deve tornar-se mais viscosa. Retirar o gobelé da fonte de aquecimento.
  4. Remover o agitador magnético e verter alguns mililitros da solução de PVC, sobre o suporte de vidro (dentro ou fora do gobelé, ou por cima da lâmina de vidro ou do vidro de relógio), formando uma camada tão fina e homogénea quanto possível. Para assegurar a fina camada, rodar o suporte de vidro cuidadosamente enquanto a solução ainda estiver quente.
  5. Deixar o suporte e o PVC na hotte até à evaporação do solvente; isto demora cerca de 15 min. A membrana de PVC pode então ser facilmente destacada do suporte de vidro.

2) Fazer PVC com um plastificante

Repetir os procedimentos descritos em cima para fazer mais quarto membranas de PVC, cada uma das quais com uma quantidade diferente de plastificante adicionado ao solvente aquecido (ver Tabela 4).

Amostra no.

PVC (g)

Solvente (ml)

Sebacato de dibutilo (ml)

Tabela 4: Fazer membranas de PVC com diferentes quantidades de plastificante
1 1.5 20 0.5
2 1.5 20 1
3 1.5 20 2
4 1.5 20 3
  1. Compara as tuas cinco amostras de membranas de PVC. Que efeito confere o plastificante ao plástico?
  2. O que é que pensas que acontece ao plástico quando se adiciona mais plastificante?
  3. Tendo em consideração a imagem de microscopia electrónica de varrimento (SEM) apresentada em baixo, a tua resposta à Questão 2 estava correcta?
  4. Estas membranas podem ser utilizadas na actividade anterior (‘Membranas com poros invisíveis’) para investigar o tamanho relativo dos ‘poros’.
Imagens de PVC obtidas por SEM: a) sem plastificante, b)com 0.5 ml de plastificante e c) com 2 ml de plastificante. Clique na imagem para ampliar
Imagens cortesia de the Establish project

3) Fazer PVC antibacteriano

A preparação de PVC contendo partículas de prata implica que as membranas tenham poros maiores, utilizando-se por isso um plastificante. A prata é adicionada sob a forma de nitrato de prata, que é então reduzido, utilizando citrato de sódio.

Silver micro- and
nanoparticles in a PVC
membrane. Click on image to
enlarge

Image courtesy of the Establish
project
  1. Usando a placa de aquecimento e um agitador magnético, aquecer 20 ml de solvente.
  2. Adicionar 2.5 ml de plastificante, e de seguida adicionar lentamente 1-5 g de pó de PVC.
  3. Adicionar 2.5 ml de nitrato de prata 10 mM e agitar durante 1-2 min.
  4. Dividir a solução por 2 gobelés de 75 ml. Rodar rapidamente cada um dos gobelés de forma a que o interior fique revestido com solução, formando uma membrana com o formato do gobelé. Assegurar que não existem falhas, uma vez que a membrana deve ser capaz de conter água.
  5. Deixar os gobelés na hotte até à evaporação do solvente, e de seguida remover cuidadosamente as membranas. (Isto é consideravelmente difícil; preparando dois, aumentas a tua probabilidade de ter sucesso.)
  6. Prepara uma solução 5 mM de citrato de sódio e verte cuidadosamente numa das membranas em formato de gobelé. A solução deve passar através da membrana (segura-a por cima de um gobelé), ao reagir com o nitrato de prata, dando origem a nano- ou micropartículas de prata.
  7. Repara na alteração de cor da membrana.
  8. Deixar a membrana secar na hotte. Imagens características de SEM (direita) mostram a presença de prata elementar dispersa numa membrana de PVC.

De seguida, podes investigar as propriedades antibacterianas das membranas preparadas.

  1. Preparar uma placa de meio com uma cultura bacteriana: numa placa de Petri contendo agar nutritivo, inocula cerca de 100 µl da tua cultura bacteriana (por exemplo, E. coli em caldo nutritivo) e utiliza uma ansa de inoculação para os espalhar pela placa de forma homogénea.
  2. Coloca na placa aproximadamente 1 cm2 da tua membrana de PVC impregnada de prata.
  3. Alternativamente, para permitir uma comparação, coloca na placa três pedaços de membrana de PVC, um dos quais não tratado com prata.
  4. 3. Incubar a placa a 37 °C durante a noite, e de seguida medir a zona de inibição em torno de cada pedaço de membrana.

Nota de segurança: Como em todos os estudos microbiológicos, devem ser sempre utilizados materiais esterilizados (quer numa autoclave, quer numa panela de pressão, ou mergulhados em etanol e depois flamejados). Isto inclui as tesouras que usas para cortar a membrana. Para evitar contaminações cruzadas, lava as ansas de inoculação com detergente antibacteriano antes de as usar.

As propriedades antibacterianas destas membranas tornam-nas úteis para o tratamento de feridas e queimaduras, bem como infecções com bactérias tais como Staphylococcus aureus resistentes à meticilina (MRSA) e E. coli.

  1. Porque é que as membranas de PVC antibacteriano são particularmente úteis no tratamento de infecções por MRSA?
  2. 2. De que outras aplicações para as membranas antibacterianas de PVC te consegues lembrar?

O projecto Establish

Estas actividades estão incluídas nas unidades didácticas desenvolvidas no âmbito do projecto Establish, um projecto financiado pela UE que tem como objectivo estimular a utilização generalizada do ensino das ciências baseado em inquérito dirigido a alunos do ensino secundário (12-18 anos de idade). Um grupo de mais de 60 parceiros de 11 países Europeus estão a trabalhar em conjunto para desenvolver e adaptar unidades didácticas para serem utilizadas nas salas de aula por toda a Europa.

As actividades apresentadas neste artigo foram retiradas da unidade didáctica designada ‘Explorando poros’. Na altura em que seguirão para impressão, estarão também disponíveis unidades no âmbito do som e de deficiências, e estão também planeadas unidades acerca de cosméticos, quitosano, ciências forenses, fotoquímica, energias renováveis e imagiologia médica. Para saber mais e descarregar as unidades completas, visitar o website do projecto Establishw5.

Nanopartículas em medicina

A utilização de nanopartículas nas novas aplicações de cuidados de saúde é muito importante. Compreender o impacto das nanopartículas nas células e nos tecidos é essencial para a segurança, fiabilidade de diagnostico e tratamento de doenças. Muitas nanopartículas médicas são baseadas em metais, e as técnicas de raios-X na European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)w6 são adequadas para monitorizar à nanoescala, por exemplo, a interacção entre uma única nanopartícula e uma célula criopreservada (Lewis et al., 2010).

A ESRF é um membro do EIROforumw7, o editor da Science in School.


 

Agradecimentos

As actividades descritas neste artigo são baseadas em informação disponível em Wilms et al. (2004; Ficha de trabalho 1), de Alison Graham da Dublin City University, República da Irlanda (Ficha de trabalho 2), e de Laura Barron e James Chapman da Dublin City University (Ficha de trabalho 3).

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References

  • Lewis DJ et al. (2010) Intracellular synchrotron nanoimaging and DNA damage / genotoxicity screening of novel lanthanide-coated nanovectors. Nanomedicine 5(10): 1547-1557. doi: 10.2217/nnm.10.96
  • Wilms M et al. (2004) Molekulares Sieben: Mit Einmachfolie ins Diskontinuum. Chemkon 11(3):127-130. doi: 10.1002/ckon.200410011

Web References

  • w1 – O portal do Merlot Health Sciences tem uma animação útil acerca da diálise. Consultar: http://healthsciences.merlot.org/images/18loop.gif
  • w2 – ATCC é um centro de biorecursos e uma organização de investigação global sem fins lucrativos, que disponibiliza produtos biológicos, serviços técnicos e programas educativos. Consultar: www.atcc.org
  • w3 – Nanopartículas de prata podem estar a eliminar bactérias benéficas no tratamento de águas residuais. Science Daily. www.sciencedaily.com ou através do link directo http://tinyurl.com/4mq4pv
  • w4 – Modificação superficial de nanopartículas de prata e a sua interacção com células vivas. Nano Werk. www.nanowerk.com ou através do link directo: http://tinyurl.com/68fojm9
  • w5 – Para saber mais acerca do projecto Establish e descarregar as unidades completas (serão adicionadas mais ao longo do tempo), consultar: http://establish-fp7.eu
  • w6 – O ESRF, um centro de investigação internacional em Grenoble, produz raios X de elevado brilho, que são utilizados por milhares de cientistas em todo o mundo. Consultar: www.esrf.eu
  • w7 – Para saber mais sobre EIROforum, consultar: www.eiroforum.org
  • w8 – As fichas de trabalho para esta actividade podem ser descarregadas em formato Word ou PDF aqui:

Review

Alguma vez se perguntou como funciona uma membrane de diálise? Podem os sacos pláticos ser utilizados para filtrar substâncias indesejáveis no nosso corpo? E que tal plásticos antibacterianos? Este artigo aborda o papel dos polímeros nas máquinas de diálise utilizadas para a filtração do sangue e para o tratamento de feridas.

As experiências destinadas a alunos mais jovens descritas neste artigo vão auxiliá-los a compreender a ciência dos polímeros e a forma como estes são utilizados na diálise. Nas actividades destinadas a alunos mais velhos, a turma tem mesmo a oportunidade de fazer o seu próprio PVC – um dos mais comuns polímeros utilizados actualmente – e investigar as suas propriedades antibacterianas.

As actividades serão apropriadas para aulas de química e de biologia, focadas em tópicos relacionados com polimerização, osmose, difusão e excreção. Poderiam ser seguidas por uma discussão da utilização mais geral de polímeros, de membranas de permeabilidade selectiva, ou de excreção.


Andrew Galea, Giovanni Curmi Post-Secondary School Naxxar, Malta




License

CC-BY-NC-SA