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BIO E NANOMATERIAIS
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Katielly Tavares Dos Santos
Rafael Misael Vedovatte 
Londrina 
Editora e Distribuidora Educacional S.A. 
2019
Bio e nanomateriais 
1ª edição
33 3
© 2019 POR EDITORA E DISTRIBUIDORA EDUCACIONAL S.A.
Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida 
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Editorial
Alessandra Cristina Fahl
Beatriz Meloni Montefusco
Daniella Fernandes Haruze Manta
Hâmila Samai Franco dos Santos
Mariana de Campos Barroso
Paola Andressa Machado Leal
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
Vedovatte, Rafael Misael 
V416b Bio e nanomateriais/ Rafael Misael Vedovatte, Katielly 
 Tavares Dos Santos – Londrina: Editora e Distribuidora
 Educacional S.A. 2019.
 150 p.
ISBN 978-85-522-1636-0
1. Evolução dos materiais. 2. Estruturas cristalinas. I. Vedovatte,
Rafael Misael. II. Santos, Katielly Tavares Dos. Título.
 CDD 620
Thamiris Mantovani CRB-8/9491
2019
Editora e Distribuidora Educacional S.A.
Avenida Paris, 675 – Parque Residencial João Piza
CEP: 86041-100 — Londrina — PR
e-mail: editora.educacional@kroton.com.br
Homepage: http://www.kroton.com.br/
44 
BIO E NANOMATERIAIS
SUMÁRIO
Apresentação da disciplina 5
Definição e classificação de biomateriais 7
Propriedades mecânicas dos biomateriais para 
aplicações em próteses internas e externas 29
Biomateriais metálicos, cerâmicos e 
poliméricos: estrutura e propriedades 46
Introdução à nanociência e nanotecnologia, 
tipos e classificação de nanomateriais 69
Síntese eletroquímica de materiais nanoestruturados 
e nanomateriais magnéticos 88
Filmes nanoestruturados, nanocompósitos 
de matriz polimérica e argila lamelar 108
Incorporação de nanomateriais e 
nanotecnologia com o meio ambiente 130
55 5
Apresentação da disciplina
Esta disciplina vai tratar dos diferentes materiais referentes a Bio e 
Nanomateriais que são assuntos que estão altamente em foco no meio 
tecnológico, com muitas pesquisas envolvendo estes tipos de materiais 
e, como consequência, há muitos investimentos. Os biomateriais 
estão sendo amplamente utilizados na área da saúde, seja ela qual 
for a aplicação médica, dentária ou outras diversas. Os nanomateriais 
estão sendo largamente usados na área eletrônica, como dispositivos 
eletrônicos e de alta tecnologia. Além disso, os nanomateriais 
também são utilizados em biomateriais. Assim, no final das contas, 
uma tecnologia vai se juntando a outra e a evolução dos conceitos 
tecnológicos vai acontecendo. 
Para os biomateriais, é importante conhecer o conceito, como eles são 
classificados, quais são os tipos de classificação, quais são as aplicações 
que eles têm, como eles são denominados, como eles são aplicados, 
o que deve ser tratado, qual é a relevância de um biomaterial para 
um implante e o que significa biocompatibilidade (interação, resposta 
biológica dele com o organismo onde ele é implantado) e como toda 
essa situação vai melhorar a condição de vida do ser vivo que recebeu 
o implante.
Já na parte de nanomateriais, é importante conhecer seu conceito, qual 
é a diferença entre eles e os outros materiais, como os micromateriais. 
É importante também saber distinguir um nanomaterial e saber 
quais são os meios mais comuns de aplicação. Também é relevante 
o conhecimento da trajetória histórica para a criação/descoberta dos 
nanomateriais – como o nanotubo de carbono –, do desenvolvimento 
à aplicação desses materiais, as inovações tecnológicas, tendências e 
consequências de sua aplicação.
No final, os bio e nanomateriais estão interligados, porque o mercado 
já desenvolveu os bionanomateriais, que nada mais são do que 
66 
nanomateriais mas que têm biocompatibilidade com organismos vivos. 
Ou seja, podem ser implantados/usados como fármacos, fazendo o 
transporte de uma quantidade exata de medicamento para um local 
específico do organismo.
Assim, conseguimos compreender como estes assuntos de biomateriais 
e de namomateriais podem ser complementares e trazer inúmeros 
benefícios, apesar de suas diferenças. Compreendemos melhor quais 
são as características desses materiais, como eles são aplicados, quais 
inovações tecnológicas vem aí, como eles já são aplicados e quais são os 
potencias de aplicação. 
Bons estudos!!
77 7
Definição e classificação 
de biomateriais 
Autora: Katielly Tavares dos Santos 
Objetivos
• Compreender a definição e classificação dos 
biomateriais. 
• Entender a evolução histórica dos acontecimentos 
até a descoberta dos biomateriais. 
• Compreender as relações entre biomateriais 
e a resposta biológica.
88 
1. Biomateriais: definição
Os materiais, em geral, podem ser basicamente divididos três grandes 
categorias: metais, cerâmicas e polímeros. Eles são classificados, 
principalmente, em função das características das ligações químicas 
entre os átomos e das propriedades químicas e físicas apresentadas. 
Contudo, outras classes de materiais vêm apresentando destaque na 
ciência, como os compósitos, os materiais inteligentes e os biomateriais, 
nosso objetivo de estudo (CALLISTER Jr.; RETHWISCH, 2016).
Em razão de suas especificidades, os biomateriais são considerados 
uma classe especial de materiais. Por esse motivo, podem ser do tipo 
metálico, cerâmico, pelomérico, compósitos ou do tipo recobrimento. 
Assim, podemos definir biomaterial como um material, ou combinação 
de materiais, natural ou não, utilizado para substituir, total ou 
parcialmente, sistemas biológicos.
Além disso, os biomateriais compreendem um campo extenso que 
tem sido desenvolvido de forma significativa e constante nos últimos 
anos, abrangendo aspectos da medicina, biologia, química e ciência de 
materiais. Os biomateriais têm sido utilizados para diversas aplicações, 
tais como substitutos de sistemas biológicos, abrangendo placas ósseas, 
cimento ósseo, ligamentos e tendões artificiais, implantes dentários para 
fixação de dentes, próteses de vasos sanguíneos, válvulas cardíacas, 
tecido artificial, lentes de contato e implantes mamários.
Justamente por isso, dizemos que materiais desse tipo devem ser 
biocompatíveis, ou seja, provocar a menor reação possível quando 
utilizados em um organismo. É importante ressaltar que esses tipos 
de materiais são projetados para um fim específico, ou seja, podem 
apresentar biocompatibilidade para uma função e não compatível a outra.
Para a escolha adequada e correta de um material biocompatível, 
deve-se inicialmente verificar as propriedades necessárias que 
esse material deve apresentar. Para isso, é de suma importância 
99 9
compreender a relação entre a microestrutura apresentada com as 
propriedades obtidas. 
Escolher adequadamente o material é apenas o primeiro passo para o 
sucesso de sua aplicação. Contudo, o caminho para a escolha adequada 
do material e o desenvolvimento do projeto é longo, passando pelas 
etapas de fabricação, obtenção ou síntese, testes bioquímicos e 
biológicos. E ainda, para caracterizar um material como biomaterial, e 
garantir o sucesso na utilização, ele deve passar por algumas etapas de 
testes específicos, denominados in vitro e in vivo.
ASSIMILE
In vitro – que apresenta significado “em vidro”, é uma 
expressão designada a processos biológicos executados 
externamenteaos sistemas vivos, em ambientes 
laboratoriais fechados, com condições controladas.
In vivo – apresenta significado “dentro do vivo”, está 
relacionado com experimentos realizados no interior de 
organismos ou tecidos vivos.
Em um futuro próximo, é esperado que os biomateriais aumentem a 
regeneração de tecidos naturais, promovendo assim a restauração dos 
mecanismos estruturais, funcionais, metabólicos e comportamento 
bioquímico, bem como desempenho biomecânico.
1.1 Classificação dos biomateriais
Podemos classificar os biomateriais de duas formas: através de seu 
comportamento biológico (baseada na resposta do organismo após o 
implante do biomaterial) e de sua composição química (baseada nas 
propriedades intrínsecas do biomaterial).
1010 
Levando em consideração a resposta biológica causada pelos 
biomateriais nos tecidos corpóreos, segundo a compatibilidade com os 
tecidos adjacentes, podemos classificar os biomateriais por (PARK, 2007):
• Bioinerte: são inertes e não provocam reação no organismo onde 
são implantados. Nesse caso, os implantes estão em contato 
direto com o tecido e, mesmo assim, por serem inertes, não 
ocorrem reações do tecido com o implante. Como exemplo temos 
titânio, alumina, zircônio e carbono. 
• Biotolerante: a aceitabilidade do implante com o organismo ocorre 
de forma moderada. Nesse caso, normalmente ocorre a formação 
de um tecido fibroso rodeando o implante. Como exemplo temos 
aço inoxidável e a liga de cromo-cobalto.
• Bioativo: ocorre a interação química entre o implante e o tecido 
ósseo. Como exemplo temos hidroxiapatita e vitro-cerâmicas.
• Bioreabsorvíveis: após um tempo de implantados, são absorvidos 
pelo organismo. São interessantes para os casos em que é 
desaconselhável uma intervenção cirúrgica para a retirada do 
implante. Como exemplo temos fosfato tricálcico ou assumir 
completamente a função dos tecidos não funcionais no 
corpo humano são chamados de biomateriais. A utilização de 
biomateriais na substituição completa ou parcial de órgãos e 
tecidos danificados ou doentes, tem apresentado resultados 
satisfatórios, melhorando a qualidade de vida e prolongando a 
expectativa de vida média, aumentando ainda mais o interesse no 
campo dos biomateriais (RATNER, 2013).
Embora o conteúdo de biomateriais seja um novo campo 
interdisciplinar, suas aplicações datam de milhares de anos atrás. 
Os olhos de vidro, narizes de metal e dentes de marfim descobertos nas 
múmias egípcias são bons exemplos disso. E ainda, os lendários ganchos 
de ferro e as pernas de madeira dos piratas também são exemplos bem 
conhecidos. E mais, o crânio da mulher Tlailotlacan da antiga Teotihuacan. 
1111 11
Figura 1 – Mulher da antiga Teotihuacan com implantes dentários
Fonte: Goguitchaichvili et al. (2017).
Da mesma forma, os substitutos ósseos de bronze e cobre datados 
de antes de Cristo e projetados para serem implantadodos no 
corpo humano também devem ser classificados como biomateriais. 
Especialmente, os implantes feitos de cobre foram usados até meados 
do século XIX, devido à falta de materiais melhores. Contudo, o cobre 
acabou sendo substituído por aço inoxidável. 
O uso de ouro na odontologia remonta há cerca de 2000 anos atrás. 
Hipócrates menciona em seus escritos sobre fios de ouro sendo 
usados como suturas para costurar tecidos juntos. Os aparelhos 
preparados a partir de ossos de cadáveres e marfim, por volta de 1880, 
para uso em ortopedia, também são classificados como biomateriais 
(GOGUITCHAICHVILI et al., 2017).
No início da utilização de biomanterias para substituir partes doentes, 
os tecidos e órgãos danificados rapidamente se infectavam e, por 
isso, eram removidos cirurgicamente. A taxa de sucesso nesses 
procedimentos cirúrgicos era bastante baixa devido à falta de 
esterilização. Contudo, por volta de 1870, Joseph Lister mostrou a 
1212 
importância da esterilização e, após seu uso nas salas de operações, 
os procedimentos cirúrgicos tornaram-se mais bem-sucedidos 
(GOGUITCHAICHVILI et al., 2017).
Sendo assim, vemos que os biomateriais estão em uso desde os 
primórdios da história, mas não eram chamados assim. Uma das 
observações mais emocionantes que levou ao nascimento de um 
campo completamente novo foi a do Perspex® (polimetilmetacrilato, 
conhecido como PMMA), que eram lascas ou estilhaços encontrados 
nos olhos de atiradores de elite da Segunda Guerra Mundial. 
O Dr. Ridley, cirurgião, percebeu que essas lascas eram inertes com 
o corpo humano, então comprou uma folha de Perspex Imperial 
Chemical Industries (ICI) e usinou-a na forma de lentes, iniciando 
a indústria de lente intra-ocular (IOL). Essas lentes Perspex® 
foram usadas em pacientes com cataratas, cujas lentes naturais 
perdiam sua transparência com o tempo, prejudicando a visão 
(GOGUITCHAICHVILI et al., 2017).
Em linha similar, o Dr. John Charnley projetou o primeiro 
implante de quadril total com cabeça femoral dirigida e corpos 
de Teflon. Mas eles foram um desastre! Contudo, quando ele 
substituiu o polímero por polietileno de ultra-alto peso molecular 
(UHMWPE), os resultados foram tão bons que seu implante de 
quadril foi comparado com um quadril moderno em termos de 
vida clínica. Eles duraram de 10 a 15 anos. No final da Segunda 
Guerra Mundial, outro médico e inventor, Dr. Wilhem Kolff, levou 
embalagens de salsicha feitas de celulose, ligou-as a uma máquina 
de lavar e dialisou o sangue de pacientes renais, salvando-os 
de morte certa. Com o tempo, as propriedades exigidas de um 
biomaterial foram claramente identificadas. O Quadro 1 mostra 
resumidadmente o desenvolvimento do uso de biomateriais com a 
evolução do tempo (LOURES, 2011).
1313 13
Quadro 1 – Olhar histórico sobre biomateriais
Ano Aplicação
600 a.C. Reconstrução nasal.
XVIII/XIV Uso de fios de ferro, ouro, prata e platina na estabilização de fraturas ósseas.
1860-1870 Uso de esterilização em procedimentos cirúrgicos.
1893-1912 Uso de pregos e placas de aço inoxidável em fixação de fratura.
1912 Desenvolvimento de aço inoxidável vanádio resistente à corrosão e ligas de aço para aplicações médicas.
1926 Uso de parafusos no reparo da fratura do colo do fêmur.
1926 Preparação de ligas contendo molibidênio não corrosivo.
1931 Design de pregos de metal para uso nas fraturas do pescoço do fêmur.
1938 Primeira prótese total de quadril.
1940 Uso de acrílicos como substitutos da córnea.
1944 Desenvolvimento de sistemas de hemodiálise.
1946 Uso de polímeros com propriedades mecânicas adequadas em prótese de quadril.
1952 Enxertos vasculares com materiais têxteis.
1953 Aplicação de balões intravasculares.
1958 Uso de cimento ósseo acrílico em prótese total de quadril.
1958 Primeira estimulação cardíaca bem-sucedida.
1960 Aplicação de válvula cardíaca.
1980s Aplicação de coração artificial.
1980s Dispositivos controlados por computador, materiais inteligentes.
1990s Engenharia de tecidos, desenvolvimento de tecidos artificiais e órgãos.
2000s Nanobiomateriais.
Fonte: adaptado de Loures (2011).
1414 
PARA SABER MAIS
A impressão 3D é realidade em vários campos da 
ciência, inclusive para biomateriais. Com o auxílio de 
tinta biocompatível, os órgãos ou tecidos impressos 
apresentam riscos baixos de rejeição. Leia mais sobre 
isso no artigo Impressão 3D: inovações no campo da 
medicina (MATOZINHOS, 2017).
Dessa forma, os estudos e aplicações mais recentes em 
biomateriais estão voltadas para nanobiomateriais, com 
o foco principal em desenvolvimentos de tratamentos de 
superfície, administração de medicamentos e imagens, 
utilizando biomateriais nanotécnicos, com as abordagens 
nanotecnológicas que eram anteriormente utilizadas 
apenas na indústria de eletrônicos.
1.2 Biomateriais e a resposta biológica
De acordo com o tipo de tecido a ser substituído no corpo, os 
biomateriais podem ser geralmente categorizados em materiais duros, 
utilizados na substituição de ossos (aplicações dentárias e ortopédicas), 
ou materiais moles, utilizados em cirurgiascardiovasculares (coração e 
vasos sanguíneos) e cirurgia plástica.
Os metais são utilizados como o primeiro grupo a ser considerado para 
a substituição de tecidos duros, e os polímeros para a substituição 
de tecidos moles. De fato, todos os três grandes grupos de sólidos 
(metais, plásticos e cerâmicas) estão representados entre os materiais 
de substituição óssea para várias aplicações, e novos compostos estão 
surgindo em ritmo acelerado para oferecer substitutos próximos.
Em geral, dispositivos médicos e próteses são muitas vezes constituídos 
de mais de um tipo de material. Por exemplo, a prótese de substituição 
1515 15
da junção da cabeça femoral com o quadril, muitas vezes chamada 
de anca (Figura 2), consiste principalmente em uma cabeça de metal 
acoplada com um soquete de polietileno de ultra-alto peso molecular.
Figura 2 – Prótese de substituição da junção 
da cabeça femoral com o quadril
Fonte: alex-mit/iStock.com.
O avanço da ciência e da tecnologia levou a um progresso considerável 
no desenvolvimento de uma nova geração de implantes e dispositivos 
médicos com melhor desempenho, em termos de materiais químicos, 
propriedades mecânicas e características da superfície.
Dessa maneira, o uso de materiais na reconstrução de tecidos é para 
fornecer estabilidade estrutural durante a cicatrização ou para substituir 
o tecido comprometido. Não é de surpreender que inicialmente o 
critério mais importante na escolha desses materiais era a inércia 
química. Dependendo do grau de inércia de um material, a resposta 
imunológica do corpo provoca encapsulamento fibroso do implante de 
espessura variável. Geralmente, os materiais de implantes convencionais 
apresentam força mecânica e tempo de vida, mas são biologicamente 
inativos (quase inertes), ou seja, apresentam falta de ligação direta com o 
tecido hospedeiro. Os implantes metálicos foram amplamente utilizados 
em grandes aplicações de suporte de carga, como próteses de quadril e 
implantes dentários devido às excelentes propriedades mecânicas.
1616 
Materiais bioativos são conceitualmente diferentes dos materiais 
bioinertes, pelo fato da reatividade química ser desejável e realmente 
essencial. Os materiais bioativos (cerâmicas bioativas, vidros e 
vitrocerâmicas) são capazes de promover a formação de osso em 
sua superfície e criar uma interface que contribua para a longevidade 
funcional do tecido.
Os fosfatos de cálcio são os principais constituintes do mineral ósseo. 
A maioria do fosfato de cálcio é sintético e amplamente utilizado para 
substituição óssea. A mais comum é conhecida como hidroxiapatita (HA), 
de fórmula química Ca10(PO4)6(OH)2, em função de suas similaridades 
químicas para o componente inorgânico de ossos e dentes. A Figura 3 
apresenta a estrutura para a HA.
Figura 3 – Estrutura da Hidroxiapatita (HA)
Fonte: Kay et al. (1964), citado por Mavropoulos (1999). 
Inicialmente, foi utilizado o aço inoxidável para cirurgias de substituição 
precoce do quadril, mas com o avanço na tecnologia de processamento 
de materiais, o aço inoxidável tem sido geralmente substituído por 
ligas de cobalto e titânio. Apesar das preocupações com a corrosão 
de metais, as ligas metálicas são os materiais utilizados nas principais 
aplicações de próteses para o quadril. Por exemplo, ligas de titânio 
1717 17
(Ti6Al4V) apresentam melhor resistência à corrosão em comparação 
com o aço inoxidável (316 e 316L), e ligas de cobalto-cromo-molibdênio 
(Co-Cr-Mo) têm sido usadas extensivamente como hastes artificiais 
do quadril e dispositivos de fixação óssea. Embora essas ligas exibam 
excelentes propriedades mecânicas em termos de resistência e 
tenacidade, é um enorme desencontro entre os módulos elásticos 
dessas ligas e do osso cortical (PIRES, 2015).
As ligas de titânio apresentam um módulo de elasticidade relativamente 
baixo (110 GPa) em comparação com ligas de Co-Cr (230 GPa), mas 
ainda são muito mais altas do que de osso cortical (até 30 GPa). Um 
dos problemas dos implantes metálicos na prótese de quadril, como a 
prótese de haste femoral, se dá no fato de que os implantes estão em 
uma parte considerável do carregamento do corpo, que protege o osso 
dos estresses necessários para manter sua força, densidade e “ estrutura 
saudável”. Essa blindagem da força irá levar à reabsorção óssea e, 
eventualmente, soltura do implante e falha do quadril artificial. Além 
disso, os ions tóxicos (V3+ e Al3+) podem ser liberados no corpo e elevar 
as preocupações da biocompatibilidade a longo prazo (BRANDÃO, 1997).
Dessa forma, a partir da compatibilidade de aspectos biomecânicos, o 
material ideal deve não só ter rigidez compatível, mas também possuir 
alta resistência mecânica e resistência à fadiga.
1.2.1 Materiais bioinertes e bioativos
Tanto os materiais não degradáveis como os degradáveis são 
utilizados para os reparos necessários no corpo humano, com a 
utilização de biomateriais. Os materiais não degradáveis são utilizados 
quando a estabilidade mecânica é essencial, tais como liga de Co-Cr 
na haste femoral, cimento ósseo de PMMA e implante mamário de 
silicone elastômero.
Sendo assim, uma ampla gama de materiais tem sido usada em 
dispositivos médicos que reconstroem funções normais de um todo ou 
1818 
parte de uma estrutura viva. As escolhas dos materiais avançaram do 
bioinerte ao bioativo e ao biorresponsivo. De maneira geral, podemos 
dizer que os materiais bioinertes são aqueles que apresentam menor 
risco de reação com o organismo em função de sua estabilidade 
química. Já os materiais bioativos são aqueles que apresentam reações 
biológicas específicas. E por fim, os materiais biorresponsivos são 
aqueles sensíveis a sinais biológicos ou a anomalidades patológicas.
1.2.2 Biocompatibilidade
Os primeiros biomateriais (por exemplo, em cirurgia ortopédica e 
odontológica) são quimicamente inertes, que foram considerados 
compatíveis com o sistema fisiológico e meio ambiente por não 
apresentarem reações químicas com o meio. O último entendimento 
é que a biocompatibilidade se refere à capacidade de um biomaterial 
desempenhar a função desejada em relação à terapêutica, sem provocar 
quaisquer efeitos locais ou sistêmicos indesejáveis no beneficiário, 
mas gerando a mais adequada resposta celular ou tecidulal benéfica 
e otimizar o desempenho clinicamente relevante dessa terapia. 
Atualmente, a biocompatibilidade é um dos principais critérios para a 
sucesso clínico de um implante ou dispositivo (OLIVEIRA, 2010).
Um material que gera um efeito tóxico não será mais considerado 
como material de implante suficientemente biocompatível. Tem de 
executar ou integrar-se com o tecido hospedeiro apropriadamente. 
A biocompatibilidade de um material está relacionada com uma 
variedade de questões, como química, composição, micro/nano 
estrutura, morfologia, cristalinidade, porosidade e características da 
superfície dos materiais. Todos esses fatores apresentam impacto 
no desempenho dos biomateriais, como perfil de liberação de íons e 
toxicidade iônica, além das propriedades de corrosão para materiais 
metálicos; e perfil de degradação, lixiviação, aditivos, catalisadores e 
contaminantes para materiais poliméricos.
1919 19
Agora, o novo biomaterial de última geração visa estimular 
respostas celulares específicas em nível molecular, através de 
métodos embasados biologicamente. A capacidade de um material 
promover interações desejáveis determinará o resultado do teste de 
biocompatibilidade, bem como o potencial dos novos materiais.
1.2.3 Biodegradabilidade
A relação entre materiais biodegradáveis e as respostas do hospedeiro 
é altamente complexa. O processo de degradação ou os produtos de 
corrosão induzem a inflamação local e, ainda, os produtos de inflamação 
podem, por sua vez, melhorar o processo de degradação. Portanto, as 
respostas biológicas de metais biodegradáveis precisam ser totalmente 
compreendidas. Por exemplo, a alta taxa de degradação do Mg em pH 
fisiológico representaum grande desafio para a aplicação do material.
Acerca disso, recentemente, implantes de magnésio biodegradáveis 
atraíram interesse em aplicações cardiovasculares (stents) e 
musculoesqueléticas (osteossíntese). No entanto, o sistema do corpo 
humano deve ser capaz de remover os íons de Mg extra a uma taxa 
alta, que pode não ser sustentável ao longo de um curto período de 
tempo (CAUMO, 2016).
1.2.4 Biointerface
Para todas as aplicações de biomateriais, uma interface desejável entre 
o material e o corpo é um dos critérios críticos para o potencial de 
sucesso dos materiais. Para que ocorra a interação entre o organismo 
e o biomaterial, as proteínas (principalmente) atuam como mediadoras 
nas paredes celulares e os biomateriais. Proteínas reagem com a 
superfície e passam mensagens para as células vivas, que reagirão 
em conformidade. Entender completamente a mudança de proteínas 
na interface é crucial na concepção de biointerfaces para melhorar a 
proliferação e diferenciação de células vivas relevantes.
2020 
O corpo humano considera o biomaterial como um “intruso”. Isso faz 
com que uma série de reações químicas e físicas ocorram na interface. 
Todo o processo começa com a adsorção de proteínas existentes no 
plasma sanguíneo, como a albumina e fibrinectina na superfície do 
material. Essa camada adsorvida fornece o modelo ideal para as células 
agirem. As proteínas adsorvidas na superfície do biomaterial passarão 
por mudança de conformação e orientação. Muitos fatores podem 
afetar a adsorção de proteínas, incluindo as influências enzimáticas, as 
propriedades hematológicas do hospedeiro e as propriedades físico-
químicas do material.
As propriedades físico-químicas das superfícies dos materiais de 
implantes, como hidrofilicidade ou hidrofobicidade, tendem a afetar 
a resposta do organismo, inflacionando a absorção de proteínas e a 
ligação celular. Portanto, as propriedades da superfície dos materiais 
podem ter um grande impacto no controle de biocompatibilidade de 
novos biomateriais. A natureza e desenvolvimento de uma interface 
estável, entre materiais implantados e tecido hospedeiro, é crítica 
para o sucesso clínico do implante.
1.2.5 Nanomateriais
Os nanomateriais são parcialmente caracterizados em função de seu 
tamanho, medido em nanômetros (nm). As partículas de tamanho 
nanométrico existem na natureza e podem ser criadas a partir de 
uma variedade de materiais, como carbono ou a prata. A maioria dos 
materiais em nanoescala é pequena demais para ser vista a olho nu 
ou mesmo com microscópios de laboratório convencionais. Quando 
as partículas são reduzidas em escala nanométrica, há um aumento 
considerável na área de superfície das nanopartículas, resultando 
em mudanças nas propriedades de seus correspondentes materiais 
em escala macro. Os aumentos resultantes na reatividade química 
também levantam a questão da biocompatibilidade ou citotoxicidade 
dos nanomateriais. A Figura 4 apresenta uma escala nanométrica 
comparando o tamanho de estruturas.
2121 21
Figura 4 – Escala nanométrica
Fonte: Jeremias (2015, p. 14).
• Os materiais projetados para serem utilizados em escala tão 
pequena podem assumir propriedades ópticas, magnéticas, 
elétricas, entre outras, diferentes das que apresentariam em 
escala macro. Essas propriedades emergentes têm o potencial 
de grandes impactos em eletrônicos, medicamentos e outros 
campos. Por exemplo: a nanotecnologia pode ser usada para 
projetar e fabricar produtos farmacêuticos, cujo obetivo é atingir 
órgãos ou células específicas do corpo, como células cancerígenas, 
aumentando a eficácia do tratamento.
• Os nanomateriais também podem ser adicionados ao cimento, 
tecido e outros materiais, modificando suas propriedades físicas e 
mecânicas. Tais como: torná-los mais fortes e ainda mais leves.
• O tamanho apresentado pelos nanomateriais os tornam 
extremamente úteis em eletrônicos, podendo ser utilizados 
também em remediação ou limpeza ambiental para ligar e 
neutralizar toxinas (PASCHOALINO, 2010).
Sendo assim, existe um enorme potencial para aplicação de 
nanomateriais no aprimoramento das funções de dispositivos médicos. 
2222 
Um estudo recente mostrou que nanopartículas de HA substituídas 
foram capazes de inibir o crescimento de quatro cepas bacterianas, 
sendo o primeiro passo no desenvolvimento de aparelhos odontológicos 
e próteses ortopédicas multifuncionais (BOSSU, 2015).
Por fim, as nanopartículas estão sendo usadas para melhorar 
a eficácia da entrega de drogas, como agentes de diagnóstico e 
terapêuticos para detectar e tratar doenças em qualquer ser vivo. 
O material biologicamente ativo pode ser adsorvido ou quimicamente 
ligado à superfície das partículas ou incorporado nas partículas por 
dissolução, aprisionamento ou encapsulamento. A exposição humana a 
nanopartículas parece inevitável, por isso é importante a compreensão 
das propriedades das nanopartículas e seus efeitos sobre o corpo, 
cruciais para evitar toxicidade indesejável antes da aplicação clínica.
Com o avanço da ciência e engenharia de materiais, particularmente 
nanotecnologia, novos materiais estão surgindo em um ritmo acelerado. 
O design de novos materiais para atender aos novos desafios e a 
compreensão das interações entre biomaterial e tecido hospedeiro é 
altamente importante. A atenção precisa ser focada na interface entre 
novos materiais e o hospedeiro biológico, que é fundamental para o 
sucesso na aplicação clínica de novos materiais.
TEORIA EM PRÁTICA 
A classificação de um biomaterial depende da resposta 
biológica que o organismo oferece ao material de um 
implante. Os materiais, em geral, podem ser classificados 
como tóxicos e não tóxicos. Contudo, levando em 
consideração apenas os biomateriais, eles podem ser 
do tipo bioinertes, biorreativos e bioativos. E ainda, 
Descouts et al. (1995) incluem mais categorias: materiais 
bioartificiais e bioabsorvíveis. 
2323 23
Observe a Figura 5, ela apresenta a estrutura de um 
maxilar (hipotético) com materiais implantados divididos 
em três regiões: materiais tóxicos (região vermelha), 
materiais bioinertes (região amarela) e materiais 
bioativos (região verde).
Figura 5 – Biocompatibilidade 
de implantes odontológicos
Fonte: Hobkirk e Watson (1996).
Explique a diferença dos biomateriais implantados em 
cada uma das regiões do maxilar, apresentando suas 
propriedades, classificação e as funções aos quais 
foram destinados.
VERIFICAÇÃO DE LEITURA
1. Os materiais, em geral, podem ser basicamente divididos 
em três grandes categorias: metálicos, cerâmicos e 
poliméricos. Eles são classificados, principalmente, 
em função das características das ligações químicas 
entre os átomos e das propriedades químicas e físicas 
apresentadas. Contudo, outras classes de materiais vêm 
2424 
apresentando destaque na ciência, como os compósitos, 
os materiais inteligentes e os biomateriais.
Os biomaterias podem ser classificados de duas 
formas: comportamento biológico e composição 
química. Assinale a alternativa que expresse, 
respectivamente, as características de cada tipo de 
classificação dos biomateriais.
a. Ligações químicas e propriedades intrínsecas do 
biomaterial.
b. Resposta do organismo após o implante do 
biomaterial e propriedades instrínsecas do 
biomaterial.
c. Propriedades intrínsecas do biomaterial e resposta do 
organismo após o implante.
d. Resposta do material quando implantado e 
propriedades mecânicas do material.
e. Propriedades químicas e físicas do biomaterial.
2. Levando em consideração a resposta biológica 
causada pelos biomateriais nos tecidos corpóreos, 
segundo a compatibilidade com os tecidos adjacentes, 
podemos classificar os biomateriais como bioinertes, 
biotolerantes, bioativos e bioabsorvíveis. Quando ocorre 
a interação química entre o implante e o tecido ósseo, 
estamos falando de um biomaterial:
a. Bioinerte.
b. Bioativo.
2525 25
c. Biotolerante.
d. Tóxico.
e. Bioabsorvível.
3. Em um futuro próximo, é esperadoque os biomateriais 
aumentem a regeneração de tecidos naturais, 
promovendo assim a restauração dos mecanismos 
estruturais, funcionais, metabólicos e comportamento 
bioquímico, bem como desempenho biomecânico.
Assinale a alternativa que expresse a definição 
de um biomaterial. 
a. Biomaterial pode ser definido como um material 
específico, natural, utilizado para substituir, total 
ou parcialmente, sistemas biológicos.
b. Biomaterial pode ser definido como uma classe de 
materiais naturais, utilizados para substituir, total 
ou parcialmente, sistemas biológicos.
c. Biomaterial pode ser definido como um material 
sintético, utilizado para substituir, total ou 
parcialmente, sistemas biológicos.
d. Biomaterial pode ser definido como um material 
específico, natural ou não, utilizado para substituir 
parcialmente sistemas biológicos.
e. Biomaterial pode ser definido como um material, 
ou combinação de materiais, naturais ou não, 
utilizado para substituir, total ou parcialmente, 
sistemas biológicos.
2626 
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Gabarito
Questão 1 – Resposta: B
Resolução: Podemos classificar os biomateriais de duas formas: 
através de seu comportamento biológico (baseada na resposta do 
organismo após o implante do biomaterial) e de sua composição 
química (baseada nas propriedades instrínsecas do biomaterial).
Questão 2 – Resposta: B
Resolução: Bioativo, onde ocorre a interação química entre o 
implante e o tecido ósseo. Como exemplo temos a hidroxiapatita e 
as vitrocerâmicas.
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422010000200033&lng=en&nrm=iso
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http://dx.doi.org/10.5935/0100-4042.20150094
http://dx.doi.org/10.5935/0100-4042.20150094
2828 
Questão 3 – Resposta: E
Resolução: Biomaterial pode ser definido como um material, ou 
combinação de materiais, naturais ou não, utilizado para substituir 
(total ou parcialmente) sistemas biológicos.
2929 29
Propriedades mecânicas dos 
biomateriais para aplicações em 
próteses internas e externas 
Autora: Katielly Tavares dos Santos 
Objetivos
• Compreender a definição das propriedades 
mecânicas dos biomateriais.
• Compreender a aplicação das propriedades 
mecânicas dos biomaterias. 
• Compreender as relações entre próteses 
internas e externas.
3030 
1. Propriedades dos biomateriais
O comportamento descrito por um material é definido pelas 
propriedades mecânicas que ele apresenta quando um carregamento 
externo é aplicado, ou quando o material é solicitado. Saber como 
o material irá reagir e sua capacidade de resistir a esforços é de 
suma importância para a escolha adequada de um material no 
desenvolvimento de um projeto ou na aplicação estrutural.
Na escolha de biomaterias para a implantação a situação não é 
diferente. As propriedades que um biomaterial apresenta devem 
ser levadas em consideração na seleção adequada do biomaterial. 
Essas propriedades podem ser mecânicas, físicas, químicas, 
biológicas e são importantes para entender o desempenho que 
o biomaterial apresentará, não esquecendo da importância de 
estudar o tipo de processamento ao qual o material foi submetido 
em seu processo de fabricação.
As propriedades mecânicas dos materiais são aquelas em que o 
comportamento mecânico descrito está relacionado com a deformação 
que ele apresentaem função de uma carga aplicada. As propriedades 
físicas são aquelas em que resulte em fenômenos físicos, elas podem 
ser extraídas e analisadas sem que haja modificação na composição 
química do material, como densidade, magnetismo, expansão térmica, 
entre outras. As propriedades químicas estão relacionadas com a 
capacidade de um material, ou substância, se transformar em outro 
através de reações químicas, como oxidação e resistência à corrosão. 
Já as propriedades biológicas estão relacionadas com a reposta do 
organismo após o implante do biomaterial, como bioadesão e a 
resposta imune (CALLISTER JR..; RETHWISCH, 2012).
Sendo assim, compreender as propriedades mecânicas dos 
biomateriais, verificando os conceitos e aplicações, está diretamente 
relacionado com a eficácia do implante.
3131 31
1.1 Propriedades mecânicas dos biomateriais
Na Ciência dos Materiais, os biomateriais se enquadram como uma 
classe especial dos materiais. Isso ocorre pelo fato de serem utilizados 
para a substituição total ou parcial de algum órgão ou tecido do corpo 
humano. Eles podem ser tanto metálicos quanto poliméricos ou 
cerâmicos, dependendo da aplicação, utilização e das propriedades 
mecânicas do biomaterial (GONÇALVES, 2011).
De modo geral, as propriedades mecânicas que um material apresenta 
descrevem as características necessárias para sua utilização. Isto 
é, conhecer as propriedades mecânicas de um material possibilita 
a escolha correta no desenvolvimento de um projeto, com base na 
resposta que ele dará aos esforços externos que serão aplicados. 
Para os biomateriais, não ocorre de maneira diferente: é necessário 
conhecer as propriedades mecânicas que eles apresentam para a 
aplicação correta do biomaterial.
ASSIMILE
As propriedades mecânicas estão vinculadas com os 
esforços mecânicos nos materiais. Dessa forma, para 
analisar e obter as propriedades mecânicas, devemos 
conhecer a relação entre força, tensão e deformação 
de um material quando for solicitado. 
As principais propriedades mecânicas que serão abordadas para 
os biomaterias, são: limite de escoamento, limite de resistência à 
tração, ductilidade, tenacidade à fratura, limite de fadiga, módulo 
de elasticidade, resistência à fluência e resistência ao desgaste. 
Além de analisar as propriedades mecânicas dos biomateriais, 
também é importante conhecer o processo de fabricação pelo qual o 
biomaterial passou.
3232 
Cada propriedade mecânica é importante na análise do biomaterial, pois 
está relacionada com as características que ele pode apresentar quando 
solicitado. Dessa forma, é de suma importância conhecer a definição e 
aplicação de cada uma delas (BEER et al., 2015).
• Limite de escoamento
O limite de escoamento caracteriza a região de transformação no tipo 
de deformação que o material pode apresentar. Ou seja, antes do 
limite de escoamento, a deformação é do tipo elástica; após o limite de 
escoamento, a deformação é do tipo plástica. Contudo, na região de 
limite de escoamento, as deformações elásticas e plásticas coexistem 
(BEER et al., 2015).
Essa propriedade mecânica é uma tensão que, por definição, é obtida 
através de um diagrama tensão/deformação. No início desse diagrama, 
na região de deformação elástica, a curva é linear, e a lei de Hooke 
se aplica. Para encontrar o limite de escoamento, deve-se traçar uma 
reta paralela à região elástica da curva à 0,2% de deformação, o ponto 
de intersecção da curva com a reta traçada será a tensão de limite de 
escoamento, como mostra a Figura 1.
Figura 1 – Limite de escoamento em um 
diagrama tensão/deformação
Fonte: Beer et al. (2015, p. 55).
3333 33
O limite de escoamento também é chamado de tensão de escoamento 
(σe), sua unidade no sistema internacional é Newton por metro 
quadrado (N/m2), conhecida por Pascal (Pa).
• Limite de resistência à tração
O limite de resistência à tração, também chamado de tensão máxima 
(σmáx), é a máxima tensão que um material suporta antes de seu 
rompimento. Em um diagrama tensão/deformação, é o ponto máximo 
da curva, como apresentado na Figura 2.
Figura 2 – Tensão máxima em um diagrama tensão/deformação
Fonte: elaborada pela autora.
A tensão máxima (σMáx) é obtida através da divisão da força máxima (FMáx) 
obtida no ensaio pela área da seção transversal (A). E ainda, sua unidade 
no sistema internacional é N/m2, também chamada de Pascal.
Máx
Máx
F
A
σ =
A Figura 2 também apresenta um dado importante na análise de um 
material, a tensão de ruptura. A tensão de ruptura é a tensão ao qual o 
material sofre a fratura por completo. Ela apresenta um valor menor 
3434 
que a tensão máxima para materiais dúcteis e um valor igual à tensão 
máxima para materiais frágeis. Por ser uma tensão, sua unidade no 
sistema internacional também é N/m2 = Pa.
• Ductilidade
A ductilidade de um material é uma propriedade mecânica que está 
relacionada com a maleabilidade. Ou seja, é a capacidade do material 
apresentar grandes deformações sem se romper. A deformação de 
materiais na formação de fios é um exemplo de materiais dúcteis. 
Os metais são exemplos de materiais dúcteis.
Contudo, materiais que não possuem essa propriedade são chamados 
de frágeis. Esses apresentam pequenas deformações antes do 
rompimento. Materiais cerâmicos são exemplos de materiais frágeis.
• Tenacidade à fratura
O módulo de tenacidade pode ser definido pela quantidade de energia 
que o material absorve antes do rompimento. Podemos obter esse valor 
através do cálculo da área sob a curva do diagrama tensão/deformação, 
como apresentado pela Figura 3.
Figura 3 – Tenacidade de um material através 
da análise do diagrama tensão/deformação
Fonte: elaborada pela autora.
3535 35
Analisando a Figura 3, podemos obter a área sob a curva através do 
cálculo da integral da curva do diagrama. Entretanto, é possível obter 
valores próximos utilizando uma equação obtida por Seely em 1947, 
descrita em Souza (1982), para materiais dúcteis:
( )
2
e m
tU
s s e+
=
E, para materiais frágeis:
2( )
3
máx
tU
s e´=
Sendo Ut o módulo de tenacidade (área sob a curva), se a tensão de 
escoamento, sm a tensão máxima e e o maior valor de deformação 
específica na direção da força aplicada. Dessa forma, ao analisar 
os valores de tenacidade é possivel identificar se o material é frágil, 
maleável, séctil (facilmente cortado), dúctil, flexível ou elástico.
Além do módulo de tenacidade, que envolve a energia total absorvida 
pelo material até a ruptura, também há a tenacidade à fratura (Kc), que 
é uma propriedade mecânica que indica a capacidade que um material 
apresenta de resistir à propagação de trincas. Em outras palavras, 
podemos dizer que a tenacidade à fratura mede a capacidade de uma 
estrutura, que apresenta trincas, em suportar a tensão que será aplicada.
A tenacidade à fratura (Kc) está relacionada com a espessura que o 
material apresenta. Com o aumento da espessura, Kc diminui até um 
valor mínimo e constante, chamado de tenacidade à fratura no estado 
plano de tensão (Klc).
A resistência que um material apresenta depende de vários fatores. 
Dentre eles, os mais importantes são: 
• Trincas que apresentam grandes tamanhos reduzem o valor da 
máxima tensão que pode ser aplicada no material. Com isso, 
3636 
• técnicas especiais de fabricação dos materiais reduzem o tamanho 
das trincas, melhorando a resistência à fratura.
• A capacidade de deformação plástica e a utilização do material 
nessa região é um fator crítico para o surgimento de trincas. 
Aumentando a resistência mecânica do material, diminui-se a 
tenacidade à fratura.
PARA SABER MAIS
As propriedades mecânicas módulo de tenacidade e 
a tenacidade à fratura são de suma importância para 
compreensão de quanta energia o material absorve antes 
de apresentar falha em sua estrutura. São propriedades 
intrínsecas do material e possuem valores tabelados. 
Entretanto, é possivel obter os valores com a aplicação de 
equações específicas, levando em consideração o tipo de 
falha apresentadopelo material.
• Limite de fadiga
Por definição, fadiga é a ruptura de um material, quando aplicado 
uma carga inferior à carga máxima que o material suporta, isso ocorre 
devido às solicitações cíclicas repetidas. Ou seja, quando um material é 
submetido a esforços repetitivos, ele pode apresentar fratura mesmo 
que o valor de carga aplicado sobre ele seja bem inferior à carga máxima 
obtida em um ensaio de tração ou compressão. Em situações desse tipo, 
diz-se que o material rompeu, ou apresentou fratura, por fadiga.
O limite de fadiga, que pode ser determinado por um ensaio de fadiga, 
corresponde a uma tensão abaixo ao qual o material suporta, em um 
número de ciclos infinito, sem que haja o rompimento.
3737 37
As tensões cíclicas podem ser definidas por carregamentos, ou 
esforços, que se repetem com certa regularidade. A mais comum é 
representada por uma função senoidal, sendo que no eixo das abcissas 
(x) estão associados o número de ciclos e, no eixo das ordenadas (y), os 
valores de tensão. A Figura 4 apresenta três exemplos de gráficos para 
essa situação. 
Figura 4 – Dados de fadiga para (a) tensão reversa, 
(b) tensão positiva e (c) tensões positivas e negativas
(a) (b) (c)
Fonte: Cozaciuc (2000, aula 15).
Estudar a fadiga apresentada por um material é muito importante para 
compreender as falhas que ele pode apresentar em situação de uso e, 
ainda, como será a substituição desse material.
• Módulo de elasticidade
O módulo de elasticidade é uma propriedade mecânica que caracteriza 
a rigidez de um material, ou seja, é uma propriedade intrínseca que 
indica a resistência de um material à deformação elástica. Ele é obtido 
através da relação entre a tensão e a deformação na região elástica do 
diagrama tensão/deformação.
O módulo de elasticidade também é conhecido como a constante de 
proporcionalidade entra a tensão e a deformação na região linear do 
diagrama, como mostra a Figura 5.
3838 
Figura 5 – Módulo de elasticidade através 
de um diagrama tensão/deformação
Fonte: elaborada pela autora.
A equação para o módulo de elasticidade (E) é dada pela razão entre 
a tensão e a deformação, ou seja, E s
e
= . Como a tensão apresenta 
unidade, no Sistema Internacional (SI), em Pascal (Pa), e a deformação 
é adimensional, a unidade para o módulo de elasticidade também será 
Pascal (Pa). Dessa forma, podemos concluir que essa grandeza é um 
tipo de tensão que o material apresenta. Como é uma propriedade 
intrínseca, cada material apresenta um valor de módulo de elasticidade 
(E) característico e tabelado.
• Resistência ao desgaste
Denominamos degaste um fenômeno superficial que ocorre em 
materiais em movimento, que se dá pelo fato do contato entre 
superfícies, apresentando mudanças nas dimensões. Isso ocorre até 
o ponto em que o material desgastado perde a função ao qual foi 
designado pela mudança na estrutura, criando tensões inesperadas, 
ocasionando seu rompimento em função de uma carga menor ao qual 
foi projetado, por fadiga ou por outro tipo de esforço dinâmico.
O desgaste pode ser suavizado melhorando o acabamento superficial 
da peça (eliminando depressões e projeções), aumentando a dureza (a 
superfície deve apresentar elevada dureza) e a resistência mecânica 
3939 39
(quanto maior seu valor, maior a dificuldade em retirar partículas da 
superfície) do material.
É possível obter as informações de resistência ao desgaste dos 
materiais por meios mecânicos (trabalho a frio), térmicos (têmpera), 
termoquímicos (cementação e nitretação) e revestimentos superficiais 
(eletrodeposição e metalização).
O quadro 1 apresenta um resumo das principais propriedades 
mecânicas dos biomaterias, a relevância de acordo com os esforços 
mecânicos que eles deverão resistir, ou seja, o carregamento aplicado, 
e os processos de fabricação mais comuns.
Quadro 1 – Relevância das propriedades 
mecânicas e processos de fabricação dos biomateriais
Propriedades 
mecânicas
Relevância de acordo 
com o carregamento
Processo de 
fabricação Relevância
Limite de 
escoamento Importante Fundição
Importante 
para metais
Limite de 
resistência à tração Importante Conformação Importante para metais
Ductilidade Importante
Tenacidade à fratura Importante Soldagem Importante
Limite de fadiga Muito importante Brazagem Importante
Módulo de 
elasticidade Muito importante Usinagem Importante
Resistência 
ao desgaste Muito importante Metalurgia do pó
Importante para 
dispositivos 
específicos
Fonte: elaborado pela autora.
1.2 Aplicações em próteses externas e internas
Damos o nome de prótese todo equipamento ou material que substitui, 
por completo ou parte, a função de um órgão, sistema ou membro. 
4040 
Ela pode ser externa (substituição de função de um membro ou órgão, 
como as próteses ortopédicas) ou interna (substituição da função de um 
determinado órgão, ou parte dele, como articulação, válvulas cardíacas). 
Como exemplo de aplicações, temos (CHEN, 2013):
a. Látex natural: polímero natural, de aspecto leitoso, extraído 
da seringueira, é utilizado na neovascularização, regeneração 
tecidual e formação de matriz extracelular.
b. Hidrogel: redes tridimensionais compostas entre 70 e 90% de 
água. Pode ser formado de polímeros, copolímeros hidrofílicos, 
óxido de polietileno, poliacrilamida e polivinilpirrolidona. É 
utilizado na hidratação de feridas secas, autólise, absorve o 
exsudato, alívio da dor e hidratação das terminações nervosas.
c. Biomateriais cerâmicos: são compostos inorgânicos, formados 
por elementos metálicos e não metálicos, cuja ligação química é 
predominantemente iônica. São utilizados como instrumentos 
de diagnóstico (termômetros, fibras para endoscopia), próteses 
ortopédicas, dispositivos para a reconstrução odontológica 
e maxilo-facial, válvulas cardíacas, traquéias artificiais e 
preenchimentos ósseos.
d. Biomateriais metálicos: são compostos inorgânicos, formados 
por elementos metálicos, cuja ligação química é do tipo metálica. 
Apresentam excelente desempenho mecânico e têm sido 
amplamente utilizados como componentes estruturais visando 
à substituição, reforço ou estabilização de tecidos rígidos, como 
fios, parafusos e placas para fixação de fraturas, implantes 
dentários e próteses para substituição de articulações.
e. Biomateriais poliméricos: são compostos orgânicos, formados 
por elementos não metálicos, cuja ligação química é 
predominantemente covalente. São muito utilizados na medicida 
e apresentam como vantagens: facilidade de fabricação para 
produzir formas variadas (partículas, filmes, fios, dentre outros), 
processamento secundário, custo razoável e disponibilidade 
4141 41
f. em encontrar materiais com propriedades mecânicas e físicas 
desejadas para aplicações específicas.
Os biomateriais mais utilizados recentemente, na área da saúde, 
são biocompatíveis, bioativos e biodegradáveis. Contudo, os mais 
pesquisados são bioativos, biodegradáveis e biomiméticos. Nesso 
processo, existem várias etapas a serem desenvolvidas, desde identificar 
a necessidade de um biomaterial até seu uso e a análise final do produto. 
É importante saber que tudo se inicia pela identificação da necessidade 
do biomaterial para dada aplicação, que pode ser o tratamento de uma 
doença, substituição de órgãos ou regeneração de tecidos e cicatrizes.
TEORIA EM PRÁTICA 
Observe a Figura 6. Ela apresenta, em um único plano, 
diagramas de tensão/deformação para materiais 
diferentes. Contudo, pela inclinação da reta linear, 
vemos que todos apresentam o mesmo módulo de 
elasticidade (E). Como isso é possível? Qual a relação da 
coincidência dos valores apresentados para o módulo 
de elasticidade em cada material?
Figura 6 – Diagrama tensão-deformação 
para o ferro e alguns aços
Fonte: Beer et al. (2015, p. 58).
4242 
Para facilitar sua compreensão, observe que cada material 
sofreu algum tipo de tratamento térmico ou termoquímico. 
Apenas um material apresentado no gráfico é puro.
VERIFICAÇÃO DE LEITURA
1. Na Ciência dos Materiais,os biomateriais se enquadram 
como uma classe especial dos materiais. Isso ocorre 
pelo fato de serem utilizados para a substituição total ou 
parcial de algum órgão ou tecido do corpo humano. 
A respeito dessa temática, avalie o trecho a seguir:
“Eles podem ser tanto __________ quanto ____________ 
ou ___________, depende da aplicação, utilização e das 
propriedades mecânicas do biomaterial.
Assinale a alternativa que preencha corretamente 
as lacunas.
a. Metálicos; semicondutores; materiais inteligentes.
b. Metálicos; poliméricos; cerâmicos.
c. Polímeros; metálicos; compósitos.
d. Compósitos; poliméricos; semicondutores.
e. Cerâmicos; metálicos; compósitos.
2. Cada propriedade mecânica é importante na análise do 
biomaterial, pois está relacionada com as características 
que ele pode apresentar quando solicitado.
4343 43
Assinale a alternativa que expresse o conceito de limite 
de escoamento.
a. Relação entre a tensão e a deformação, no regime 
elástico, indicando a resistência do material à 
deformação elástica.
b. Fratura do biomaterial devido aos ciclos de 
carregamento.
c. Tensão máxima suportada pelo biomaterial.
d. Tensão limite que separa a deformação elástica da 
deformação plástica.
e. Maleabilidade que um material apresenta.
3. Os biomateriais cerâmicos são utilizados como 
instrumentos de diagnóstico (termômetros, fibras para 
endoscopia), próteses ortopédicas, dispositivos para 
a reconstrução odontológica e maxilo-facial, válvulas 
cardíacas, traqueias artificiais e preenchimentos ósseos.
A respeito dos biomaterias cerâmicos, assinale 
a alternativa que expresse, respectivamente, os 
elementos que o compõem e o tipo de ligação 
química predominante.
a. Elementos metálicos e não metálicos; ligação metálica.
b. Ligação iônica; elementos metálicos e não metálicos.
c. Ligação covalente; elementos metálicos.
d. Elementos não metálicos; ligação covalente.
e. Elementos metálicos e não metálicos; ligação iônica.
4444 
Referências bibliográficas
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org/10.1590/S0103-84782007000600033. 
Gabarito
Questão 1 – Resposta: B 
Resolução: Na Ciência dos Materiais, os biomateriais se enquadram 
como uma classe especial dos materiais. Isso ocorre pelo fato de 
serem utilizados para a substituição total ou parcial de algum órgão 
ou tecido do corpo humano. Eles podem ser tanto metais quanto 
poliméricos ou cerâmicos, depende da aplicação, utilização e das 
propriedades mecânicas do biomaterial.
https://essel.com.br/cursos/material/01/EnsaioMateriais/ensa15.pdf
http://dx.doi.org/10.1590/S0103-84782007000600033
http://dx.doi.org/10.1590/S0103-84782007000600033
4545 45
Questão 2 – Resposta: D 
Resolução: O limite de escoamento caracteriza a região de 
transformação no tipo de deformação que o material pode 
apresentar. Ou seja, antes do limite de escoamento, a deformação 
é do tipo elástica; após o limite de escoamento, a deformação é 
do tipo plástica. Contudo, na região de limite de escoamento, as 
deformações elásticas e plásticas coexistem.
Questão 3 – Resposta: E 
Resolução: Biomateriais cerâmicos: são compostos inorgânicos, 
formados por elementos metálicos e não metálicos, cuja 
ligação química é predominantemente iônica. São utilizados 
como instrumentos de diagnóstico (termômetros, fibras 
para endoscopia), próteses ortopédicas, dispositivos para a 
reconstrução odontológica e maxilo-facial, válvulas cardíacas, 
traquéias artificiais e preenchimentos ósseos. 
4646 
Biomateriais metálicos, 
cerâmicos e poliméricos: 
estrutura e propriedades 
Autora: Katielly Tavares dos Santos 
Objetivos
• Compreender a classificação dos biomateriais 
em metálicos, cerâmicos e poliméricos. 
• Analisar a estrutura das classes dos biomaterias.
• Conhecer e entender as propriedades de cada 
uma das classes dos biomateriais.
4747 47
1. Biomateriais metálicos, cerâmicos e poliméricos
De maneira geral, podemos dizer que um biomaterial, também 
chamado de biomédico, é designado como qualquer material, 
substância ou variações de substâncias utilizado na substituição total 
ou parcial de membros, órgãos ou tecidos do corpo humano. Eles são 
classificados dependendo de sua origem, comportamento fisiológico, 
forma de atuação e interação com o corpo e em relação à composição 
química e aos arranjos atômicos (CAO; HENCH, 1996).
• Origem: autógenos, aloenxerto ou enxertos homógenos, 
xenoenxerto ou enxertos heterogêneos, aloplásticos.
• Interação com os órgãos e tecidos: biotoleráveis, bioinertes, 
bioativos e biorreabsorvíveis.
• Forma de atuação: osteocondutor, osteoindutor e osteopromoção. 
• Composição química e arranjos atômicos: metálicos, cerâmicos 
ou poliméricos.
PARA SABER MAIS
Segundo a forma de atuação dos biomateriais, Cao e 
Hench (1996, p. 3), em seu artigo Bioactive materials, diz 
que “os materiais osteocondutores promovem a formação 
de uma superfície biocompatível no local do implante, 
a qual favorece o desenvolvimento de células ósseas” 
(tradução do autor). Outros detalhes sobre a forma de 
atuação dos biomateriais são abordados no artigo.
Dessa forma, o objetivo desse capítulo é compreender as características 
e propriedades da classificação dos biomateriais quanto à composição e 
aos arranjos atômicos. Ou seja, compreender os biomateriais metálicos, 
4848 
cerâmicos e poliméricos, já que eles são utilizados na solução de 
problemas de saúde humana e derivados de várias de fontes. Bem 
como, conhecer os biomateriais naturais e compósitos, relacionando 
suas propriedades, obtenção e aplicação.
1.1 Biomateriais naturais
Os biomateriais naturais podem ser considerados polímeros 
biológicos e tecidos descelularizados. A principal diferença entre eles 
diz respeito aos tecidos descelularizados já possuírem a geometria 
e a textura do tecido original; enquanto os biopolímeros – com a 
cartilagen apresentada pela Figura 1 – são sólidos que precisam ser 
processados para chegar na forma adequada para utilização. Como 
exemplo de biopolímeros temos celulose, colágeno, ácido hialurônico, 
sulfato de condroitina, seda, poliésteres, quitosana (derivado da 
quitina) e alginato (RAMAKRISHNA, 2001).
Figura 1 – Exemplo de um biopolímero 
em alta resolução – cartilagem
Fonte: Girolamo Sferrazza Papa/iStock.com.
As propriedades químicas e mecânicas desses tipos de biomateriais 
são muito semelhantes às dos tecidos e órgãos e, portanto, bastante 
compatíveis com o sistema biológico. Entretanto, existem enzimas 
4949 49
que podem hidrolisá-los e degradá-los, dessa forma todoseles são 
degradáveis no sistema biológico, recebendo o nome de biodegradáveis. 
E ainda, podem ser aplicados em substituições de tecidos moles, 
incluindo curativos e substitutos de cartilagem (RAMAKRISHNA, 2001).
ASSIMILE
Tecidos descelularizados são aqueles em que há a remoção 
(ou ausência) de todo material celular ou nuclear, diminuindo 
qualquer efeito na atividade biológica. Os métodos mais 
comuns para que ocorra a descelularização envolvem 
agentes físicos, químicos e enzimáticos.
1.2 Biomateriais metálicos
Os biomateriais metálicos são materiais que possuem a capacidade 
de suportar esforços, como o de tração, compressão, tensões de 
cisalhamento e impacto. Os metais, no entanto, são altamente reativos, 
sendo propensos à oxidação, como corrosão, podendo levar a uma 
película de óxido altamente tenaz, como o caso da formação da camada 
de óxido de titânio, atuando como uma camada passiva que impede a 
corrosão e a liberação de íons (BROCK, 2007).
Os materiais metálicos apresentam estrutura cristalina, e a ligação 
entre os elementos químicos é do tipo metálica, fatos que os tornam 
bons condutores de calor e eletricidade. Sendo assim, são úteis 
como materiais condutores de sinal em implantes do tipo sensoriais 
e marcapassos, mas não são bons como superfícies em implantes 
dentários, nos quais o material é sujeito a variações de temperatura. 
Devido à flexibilidade e à maleabilidade dos metais, eles são 
frequentemente usados como fios ou grampos para fechar feridas e 
estabilizar fraturas ósseas, além de transportar carga (BROCK, 2007).
5050 
A organização dos átomos em metais sólidos é geralmente compactada, 
apresentando estruturas cristalinas do tipo cúbica de corpo centrado 
(ccc), cúbica de face centrada (cfc) ou hexagonal compacta (hcp). 
Os elétrons da camada externa (de valência) dos átomos são 
deslocalizados e livres para se movimentarem e formar um tipo de 
nuvem ao redor dos átomos. Enquanto isso, os átomos permanecem 
juntos devido às interações eletrostáticas criadas entre si. Esse tipo de 
vínculo é chamado ligação metálica (CALLISTER; RETHWISCH, 2018).
Como os elétrons da camada de valência não estão fortemente 
ligados à estrutura total, os elementos metálicos podem facilmente 
perdê-los em reações químicas, tornando-se cátions. Os metais 
podem formar ligas misturando-se com outros elementos metálicos 
no nível molecular, cujo o principal objetivo da formação de ligas é a 
melhora de algumas propriedades apresentadas pelo metal, como 
torná-lo menos quebradiço, mais duro e mais resistente à corrosão. 
Esse tipo de material apresenta diversas propriedades que o 
caracterizam, como a maleabilidade (permitindo moldar o metal em 
implantes) e a ductilidade (capacidade de extrair metais na forma 
de fio, permitindo a fabricação de tubos intramedulares, hastes, 
parafusos e hastes longas). 
Devido à alta resistência, metais e ligas metálicas são amplamente 
utilizados como instrumentos cirúrgicos e odontológicos, dispositivos 
biomédicos, implantes, substituições de articulações e placas cranianas. 
Entre os tipos mais comuns de implantes médicos estão pinos, hastes, 
parafusos e placas usadas para ancorar fraturas.
Como todo dispositivo médico de implante, os biomateirias metálicos 
usados nas clínicas devem atender alguns requisitos, tais como 
apresentar alta biocompatibilidade, alta capacidade de resistir a 
esforços mecânicos, alta resistência ao desgaste e alta resistência à 
corrosão. Eles são utilizados na produção de dispositivos de suporte 
5151 51
de carga, como articulações do quadril e placas do fêmur, devido 
ao seu alto módulo de elasticidade e tensão de escoamento. Sob 
carregamento, eles não deformam e não perdem sua forma facilmente. 
Uma das ligas mais conhecidas dos metais é o aço inoxidável, 
comumente usado em aplicações médicas, que contém ferro 
misturado com cromo, níquel, molibdênio e carbono. As ligas de 
biomateriais metálicos usadas na fabricação de implantes contêm 
principalmente Fe (ferro), Cr (cromo), Co (cobalto), Ni (níquel), Ti 
(titânio), Ta (tântalo), Mo (molibdênio), V (vanádio) e W (tungstênio). 
O aço inoxidável é uma liga de ferro muito forte, e sua primeira 
utilização como biomaterial foi em tratamentos de fraturas, no início 
dos anos 1900. O aço inoxidável é mais frequentemente usado em 
implantes que são destinados ao reparo de fraturas, como implantes 
ortopédicos, substituições de articulações, instrumentos cirúrgicos e 
odontológicos, placas ósseas, parafusos ósseos, pinos, hastes e stents 
coronários. Dos elementos que o compõem, o cromo, especialmente, 
é um elemento muito reativo e essencial para prevenir a oxidação do 
aço inoxidável. Se a quantidade de cromo for superior a 10,5%, um 
filme aderente e insolúvel é formado instantaneamente na superfície, 
o que impede a maior difusão de oxigênio, evitando a oxidação do 
ferro na matriz.
Já as ligas de cobalto-cromo (Co-Cr) apresentam dois elementos básicos, 
até 65%p de Co e 35% p de Cr. O molibdênio (Mo) também pode ser 
adicionado para obter tamanhos de grão mais finos que resultam em 
maior resistência após fundição ou forjamento. Essas ligas possuem 
alta resistência à temperatura e ao desgaste e, portanto, são usadas em 
uma variedade de implantes de substituição articular, bem como em 
alguns implantes de reparo de fraturas que exigem uma vida útil longa 
do material implantado. As áreas comumente usadas são odontológicas 
(Figura 2b) e ortopédicas (Figura 2a), como quadril total cimentado ou 
na artroplastia do joelho.
5252 
Figura 2 – Uso de ligas metálicas como biomateriais (a) Co-Cr nas 
articulações do joelho e (b) “Vitallium” na odontologia
Fonte: Chen (2015) e Ma e Brudvik (2008).
Contudo, o titânio e suas ligas são os biomateriais mais utilizados em 
função de sua boa resistência mecânica, densidade relativamente 
baixa (4,5 g/cm3), excelente resistência à corrosão e biocompatibilidade 
notável. Além disso, a natureza elástica das ligas de titânio e do material 
titânio é menor que a dos outros metais usados nos implantes de joelho, 
por esse motivo, o implante de titânio atua como uma articulação 
natural e, como resultado, o risco de algumas complicações como 
reabsorção óssea e atrofia são reduzidas. O titânio e as ligas possuem 
grande resistência à corrosão, tornando os biomateriais inertes (não 
apresentando alterações a implantação no corpo). 
Já o tântalo é um metal puro que possui uma notável resistência à 
corrosão e excelentes características físicas e biológicas. É um metal 
maleável, dúctil e reativo. É extremamente estável em temperaturas 
inferiores a 150 °C, resistente à corrosão e possui excelente 
biocompatibilidade. A resistência à corrosão é resultado da formação 
de uma camada protetora criada por óxidos de tântalo na superfície 
do metal. Esse biomaterial metálico tem sido utilizado na fabricação 
de implantes biomédicos, tanto em sua forma pura ou como elemento 
de liga nas ligas de titânio. Também foi usado como revestimento 
em outros dispositivos metálicos devido a sua camada estável de 
óxido superficial, melhorando a resistência à corrosão do substrato e 
aumentando sua biocompatibilidade.
5353 53
Ligas de níquel-titânio (nitinol) são ligas com memória de forma de 
níquel e titânio, nas quais os dois elementos estão presentes quase na 
mesma proporção atômica. Essa liga tem sido utilizada na fabricação 
de instrumentos endodônticos nos últimos anos por possuírem maior 
resistência e menor módulo de elasticidade em comparação com ligas 
de aço inoxidável. Os fios de nitinol têm comportamento superelástico 
e retornam a sua forma original ao descarregar a força que causou a 
deformação e ao executar um tratamento térmico apropriado acima 
da temperatura de transformação de fase. O aquecimento a essa 
temperatura leva a liga a mudar de estrutura martensítica monoclínica 
à estrutura austenítica cúbica. A deformação é normalmente realizada 
em temperatura relativamente baixa, enquanto a memóriada forma 
ocorre após o aquecimento, como pode ser observado na Figura 3. 
Essas propriedades são de interesse na endodontologia, pois permitem 
a construção do canal radicular que utilizam essas características 
favoráveis para fornecer uma vantagem ao preparar canais curvos. 
Figura 3 – Transformação cristalina do Nitol. 
Efeito de memória de forma
Fonte: Elahinia et al. (2012).
E por fim, nas ligas biodegradáveis de magnésio (Mg) apresentam 
densidade, módulo de elasticidade, tensão de escoamento e resistência 
a fratura próximas à do osso, isso pelo fato de estar presente 
5454 
naturalmente no osso. De fato, estima-se que aproximadamente 50% do 
magnésio total é armazenado nos ossos. No entanto, a rápida corrosão 
do metal puro limita seu uso em aplicações de suporte de carga. 
Sendo assim, vemos que os implantes metálicos são usados para 
dois propósitos principais: para substituir uma parte do corpo (como 
articulações, ossos longos e placas do crânio) e como dispositivo de 
fixação para estabilizar os ossos quebrados. 
1.3 Biomateriais cerâmicos
Os biomateriais cerâmicos não degradam quimicamente, corroem 
ou conduzem calor ou eletricidade. São inertes, duros e quebradiços, 
fortes sob forças de compressão e possuem alta densidade. Com essas 
propriedades, são semelhantes aos tecidos duros do corpo humano, 
como ossos e dentes (CALLISTER; RETHWISCH, 2018).
Os biomateriais cerâmicos são materiais inorgânicos compostos 
por elementos metálicos e não metálicos, cuja ligação química é 
predominantemente iônica. As ligações iônicas são fortes e direcionais 
e, portanto, a cerâmica apresenta temperaturas de fusão mais altas 
que as dos metais e polímeros, que possuem ligações metálicas 
ou covalentes, respectivamente. A cerâmica é produzida a partir 
de materiais em pó pela aplicação de calor (sinterização). Elas são 
duras, fortes e quebradiças, maus condutores de calor e eletricidade. 
Existem inúmeras combinações dos compostos metálicos e não 
metálicos, contudo os mais comuns são óxidos, hidretos, carbonetos, 
fosfatos, sulfetos e silicatos. Óxidos de alumínio, fosfatos de cálcio e 
nitretos de titânio estão nessa classe (BERGSCHMIDT, 2012).
Atualmente, as biocerâmicas são amplamente utilizadas na odontologia, 
na produção de implantes ortopédicos para a coluna vertebral e, 
particularmente, nos implantes totais do quadril devido a sua resistência 
contra compressão e desgaste. Existem também biocerâmicas 
5555 55
produzidas em formas porosas e moldáveis. Nos EUA, o número 
estimado de cirurgias de fusão espinhal é de 300.000, muito mais do 
que os implantes de quadril, joelho e ombro combinados (AL-KHAWAJA, 
2016). Enquanto isso, tipos de porcelana de cerâmica têm sido usados 
em odontologia como coroas dentárias devido a sua estabilidade em 
fluidos corporais, alta compressão e boa aparência estética.
É importante ressaltar que os biomateriais cerâmicos apresentam 
vantagens inerentes, como serem biologicamente inertes, não 
produzirem detritos de desgaste e possuírem alta resistência à 
corrosão, compressão e alta temperatura, e ainda, apresentam a 
capacidade de serem projetados para corresponder estreitamente 
às propriedades do osso natural. A razão que os torna tão 
resistentes às condições ambientais são as fortes ligações químicas 
formadas entre os grupos metálicos e não metálicos. A alta 
resistência ao desgaste e a inércia química os tornam preferíveis nas 
substituições ósseas do corpo humano. O uso de fosfato de cálcio 
em procedimentos cirúrgicos humanos tornou-se popular nos anos 
80. A Hidroxiapatita (HA) Ca10(PO4)6(OH)2 é uma cerâmica de fosfato 
de cálcio e constitui o principal componente mineral do osso e da 
dentina (RIVERA-MUN et al., 2001).
Dessa forma, a cerâmica apresenta algumas propriedades preferíveis 
aos metais, como resistência ao calor, produtos químicos e corrosão, 
menor densidade, dureza e rigidez e facilidade de modificação, e, 
portanto, são comumente usadas em aplicações médicas, especialmente 
no tratamento do tecido duro como ossos e dentes. Sendo assim, classe 
de cerâmica usada para apoiar, reparar ou substituir partes doentes, 
danificadas ou ausentes do sistema musculoesquelético são chamados 
de biocerâmica. A biocerâmica é geralmente usada em ortopedia e 
aplicações dentárias com respostas biológicas personalizadas. Elas 
podem ser produzidas em diferentes formas, como microesferas, 
revestimentos finos em implantes metálicos ou reabsorvíveis para uso 
em aplicações de engenharia de tecidos. 
5656 
E ainda, os materiais biocerâmicos apresentam alta resistência à 
compressão, desgaste e resistência à corrosão e a capacidade de servir 
como agente polidor ou abrasivo, podendo ser preparados de forma 
que sejam bioinertes ou bioativos. Por outro lado, apresentam alto 
módulo de elasticidade, baixa resistência à tração, baixa tenacidade à 
fratura e dificuldade de fabricação.
A alumina é um exemplo de biocerâmica bioinerte, biocompatível e 
altamente estável. Possui baixa tenacidade à fratura, alta resistência 
à compressão, alta dureza e alta abrasão e resistência ao desgaste. 
A estrutura cristalina estável do Al2O3 é hexagonal, onde os íons de 
alumínio ocupam os sítios intersticiais octaédricos. Suas áreas de 
aplicação incluem ortopedia (Figura 4a), como cabeça do fêmur, 
articulação, prótese de joelho, parafusos e placas ósseas, revestimento 
poroso para as hastes femorais, coroas dentárias, pontes e implantes 
dentários e implante ocular artificial (Figura 4b). 
Figura 4 – Cabeça de alumina nas articulações do quadril 
(a) implante ocular artificial para uso após enucleação e antes da 
aplicação da prótese ocular (b)
(a) (b)
Fonte: Dorozhkin (2002) e Rivera-Mun (2001).
Já a zircônia, como a alumina, é uma das biocerâmicas inertes. É obtida 
a partir do mineral zircão, uma pedra preciosa de muitas cores. 
O zircão é a forma mais popular do mineral zircônio, e se transforma 
em zircônia quando é clorado duas vezes e depois precipitado com 
5757 57
sulfetos ou hidróxidos, e finalmente, calcinado ao seu óxido. A zircônia 
tem várias vantagens sobre outros materiais cerâmicos devido aos 
mecanismos de endurecimento. A adição de alguns óxidos como MgO, 
CaO, CeO e Y2O3 estabiliza a estrutura cristalina tetragonal da zircônia. 
Apresenta alta força mecânica e tenacidade à fratura. É produzida 
geralmente por prensagem à quente ou por processos de prensagem 
isostática. A zircônia é geralmente usada em aplicações ortopédicas 
como cabeça femoral, substituição da articulação, joelho artificial, 
parafusos e placas, além de coroas e pontes dentárias. A principal 
aplicação da cerâmica de zircônia está nas cabeças de esferas de 
substituição total do quadril. 
Já o fosfato de cálcio está naturalmente presente na estrutura óssea e, 
portanto, é aplicado com sucesso na substituição e aumento do tecido 
ósseo por muitos anos. A biocerâmica de fosfato de cálcio apresenta as 
propriedades de biorreabsorção e bioatividade. O fosfato de cálcio pode 
estar em muitas formas diferentes, e as biocerâmicas à base de fosfato 
de cálcio mais usadas em aplicações médicas são a hidroxiapatita (HA) e 
o fosfato β-tricálcico (β-TCP). Sua bioatividade depende de sua estrutura 
química e grau de cristalinidade. As estruturas não estequiométricas 
de apatita contendo íons de CO3
2− e HPO4
2- são altamente solúveis e 
reabsorvíveis. Da mesma forma, o fosfato tricálcico é reabsorvido mais 
facilmente do que os apatitos.
E ainda, os vitrocerâmicos são materiais que apresentam várias 
composições químicas e propriedades diferentes. Os vidros bioativos 
são geralmente baseados nos grupos de sílica com SiO4
4- e apresentam 
aplicações como próteses ortopédicas e dentárias. Eles podem ser 
preparados como vidros densos ou porosos e possuem excelentes 
propriedades mecânicas. Estudos realizados tanto in vivo como 
in vitro demonstraram que muitos vidros bioativos não são tóxicos. 
Os vidros bioativos formam fortes ligações químicascom os tecidos 
e, portanto, são utilizados na fixação de implantes no sistema 
esquelético (TILOCCA, 2010).
5858 
As biocerâmicas e os biovidros são usados como andaimes de 
engenharia em pó, fibra ou tecido em aplicações médicas, especialmente 
em tratamentos odontológicos e ortopédicos, bem como em compósitos 
com polímeros e metais. Compósitos são as substâncias que contêm 
dois ou mais constituintes ou fases distintas. Nos compósitos, as 
fases distintas são separadas em uma escala maior que a atômica, 
e as propriedades, como resistência mecânica ou elasticidade, são 
significativamente alteradas em comparação com os de um material 
homogêneo. O próprio osso é um composto de colágeno (fase orgânica), 
hidroxiapatita (fase cerâmica inorgânica) e outros constituintes nos 
quais a fase orgânica fornece elasticidade e a fase inorgânica fornece 
resistência mecânica. As forças de compressão e tração do osso cortical 
estão na faixa de 130 a 180 MPa e 50 a 150 MPa, respectivamente. 
Para o osso esponjoso poroso, esses valores são muito mais baixos e 
estimados entre 4 a 12 MPa para resistência à compressão e 1 a 5 MPa 
para resistência à tração (LINU et al., 2017).
1.4 Biomateriais poliméricos
Os polímeros sintéticos não são como os biológicos e, portanto, 
não apresentam alta resistência comparável. Embora existam 
polímeros hidrofílicos, em geral a maioria dos polímeros sintéticos são 
hidrofóbicos (por exemplo, polimetil-metacrilato – PMMA, policloreto 
de vinila – PVC, Teflon®, Dacron®, polietileno – PE) e suas propriedades 
não são semelhantes aos tecidos biológicos e biopolímeros. Como 
resultado, sua interação com os tecidos e o crescimento de tecidos 
nesses biomateriais é limitada, e ainda, como resultado de sua 
hidrofobicidade, a maioria não é degradável. Os materiais poliméricos, 
biológicos ou sintéticos, podem ser processados em formas complexas 
sob condições suaves de processamento, o que lhes confere uma 
grande vantagem sobre outros biomateriais. Quando os polímeros 
não reticulados se deformam sob a atuação de um carregamento, 
não podem resistir à abrasão ou forças de cisalhamento. Quando 
5959 59
reticulados, no entanto, eles se tornam elástico como borracha natural, 
adequando-os para uso em aplicações em que é necessária flexão 
cíclica ou contínua. Uma densidade de reticulação muito alta os torna 
tão resistentes quanto os metais (CROWNINSHIELD et al., 2007).
A reação química na qual moléculas de alto peso molecular são 
formadas a partir de monômeros é conhecido como reação de 
polimerização. A polimerização pode prosseguir de acordo com 
dois mecanismos diferentes: polimerização do crescimento da 
cadeia (ou adição) e crescimento da etapa (ou condensação). Pode-
se fazer uma distinção entre condensação e mecanismos de adição 
de polimerização: na polimerização por condensação, dois grupos 
funcionais se ligam, geralmente liberando uma molécula pequena 
como H2O, enquanto que, além da polimerização, ligações duplas 
de monômeros reagem sem liberar nenhuma molécula. No entanto, 
existem algumas reações de condensação em que não ocorre 
liberação de moléculas, como a polimerização de poliuretano. 
Enquanto isso, esses dois métodos não são exclusivos e ambas 
as abordagens podem ser usadas na polimerização do mesmo 
monômero ou do mesmo polímero, podendo ser preparado por dois 
ou mais monômeros diferentes através de ambas as abordagens, 
desde que grupos adequados estejam disponíveis para polimerizações 
individuais. O nylon 6 é um polímero com unidades repetidas do 
monômero – NH(CH2)5CO – e pode ser sintetizado a partir do ácido 
6-aminocapróico por condensação ou a partir de caprolactama por 
polimerização por adição (HELFFERICH, 2001).
Existem também novas técnicas de polimerização, como 
polimerização por clique, polimerização por radical de transferência 
de átomo e polimerização por transferência reversível de cadeia por 
adição-fragmentação, que se tornou popular nas últimas décadas. 
Nessas técnicas, alguns catalisadores e agentes especiais são 
usados para obter polímeros especialmente projetados com pesos 
moleculares controlados.
6060 
Os polímeros que serão utilizados em aplicações médicas devem 
ser compatíveis com os meios biológicos, sangue, tecidos ou órgãos. 
Eles não devem ter efeitos tóxicos, alérgicos ou cancerígenos. 
De uma perspectiva estrutural, alguns polímeros são lineares, outros 
são ramificados e alguns outros são reticulados:
• Polímeros lineares, como polietileno, cloreto de polivinila, Nylon 
66® e polimetilmetacrilato, são cadeias longas de monômeros 
conectados ponta a ponta. 
• Polímeros ramificados podem ser visualizados como galhos de 
árvores. Essas estruturas poliméricas ramificadas não se conectam 
com outras moléculas de polímero. Alguns exemplos de polímeros 
ramificados incluem polímeros em estrela, polímeros de pente, 
polímeros de escova e dendrímeros. 
• Polímeros reticulados, às vezes chamados polímeros de rede, 
são aqueles em que diferentes cadeias estão conectadas entre 
si. Essencialmente, os ramos estão conectados a outros ramos, 
formando uma rede infinita de pesos moleculares. 
Os polímeros são comumente definidos por suas propriedades térmicas, 
especialmente sua resposta ao calor. Termoplásticos são polímeros 
compostos por moléculas independentes, lineares ou ramificadas que 
podem deformar-se pela a absorção de energia térmica (por exemplo 
polietileno) após aquecimento acima da temperatura de fusão e 
processados (moldados, extrudados) por aquecimento. Os polímeros 
termofixos são aqueles com insaturação ou outros grupos reativos que 
após o aquecimento formam ligações covalentes entre as moléculas. 
Se o número dessas ligações entre as cadeias, as ligações cruzadas, 
forem poucas, o polímero atua como um material elástico e se estende 
reversivelmente mediante a aplicação de forças de tração. Esses 
materiais são chamados de elastômeros (CHAUVEL-LEBRET et al., 2013).
6161 61
Os hidrogels são redes interconectadas que consistem em polímeros 
hidrofílicos (ou anfifílicos), que são tornados insolúveis por meio de 
ligações cruzadas entre cadeias poliméricas separadas e, portanto, 
têm peso molecular infinito. Em muitos casos, os hidrogeis são 
obtidos por ligações covalentes para proporcionar uma vida útil de 
longo prazo, mas ligações mais fracas e reversíveis, como aquelas 
que usam íons ou ligações de hidrogênio, também são possíveis. 
Eles podem ser formados a partir de monômeros e polímeros 
solúveis em água (GRIESHABER et al., 2011).
1.5 Biomateriais compósitos
Compósitos são combinações de dois ou mais materiais que formam 
uma estrutura ajustando as propriedades de seus componentes, 
obtendo melhoria no produto final. As propriedades dos compósitos 
são difíceis de generalizar, pois existem muitas combinações 
diferentes de materiais possíveis. Válvulas cardíacas de pirolítico ou 
tendões reforçados com fibra de carbono e grafite revestida com 
carbono, e implantes revestidos com hidroxiapatita, são alguns 
exemplos. No caso da válvula cardíaca, o núcleo de grafite tem baixa 
densidade para tornar a válvula leve e o carbono pirolítico é vítreo, 
duro e inerte. Os implantes de liga, como aço inoxidável revestido com 
hidroxiapatita, titânio ou cobalto-cromo, são fortes devido à presença 
do metal, mas a fixação do osso ou cimento ósseo no implante é 
significativamente melhorado quando a superfície é revestida com 
um material que possui uma composição semelhante à do mineral 
componente do osso (BLACK; HASTINGS, 1998).
Os cientistas tentam continuamente produzir novos compósitos 
com diferentes características físicas e propriedades mecânicas para 
atender aos requisitos de aplicações médicas. Vários estudos em 
relação aos compostos biomédicos têm se concentrado nas áreas 
odontológica e implantes ortopédicos. O objetivo é melhorar a rigidez, 
força e biocompatibilidade, para tornar o produto mais adequado para 
o local e para obter interações com o tecido circundante.6262 
Na natureza, existem muitos compósitos como osso, cartilagem, 
dentes e pele. O osso consiste em moléculas orgânicas, principalmente 
colágeno, e materiais inorgânicos, como a hidroxiapatita, um fosfato de 
cálcio, produzido pelas células do corpo. Componentes orgânicos dão 
elasticidade e componentes inorgânicos fornecem resistência mecânica. 
As propriedades do material compósito final dependem da composição 
química e da forma física de cada constituinte e das interações 
nas interfaces entre esses constituintes. O componente em menor 
concentração deve ser homogeneamente distribuído dentro da matriz 
e criar um produto com propriedades uniformes em toda a estrutura. 
É possível produzir grande variedade de compósitos com propriedades 
diferentes usando os mesmos materiais de partida. Controlando a 
composição, organização e ordem de introdução no produto final, as 
propriedades desejadas podem ser obtidas (BLACK, 1998).
As formas dos componentes (partículas, fibras, plaquetas) adicionadas 
à matriz e suas frações de volume têm um controle significativo 
sobre as propriedades do produto final. O método heterogêneo dos 
componentes mais comumente usados são classificados em três grupos: 
partículas (não têm dimensão longa, podem ser esféricas, elipsoidais, 
poliédricas ou de formato irregular), fibras (têm uma dimensão longa 
com tamanho na faixa de nanômetros a milímetros) e plaquetas (duas 
dimensões com formas regulares ou irregulares).
E ainda, a morfologia, orientação, direção e homogeneidade dos 
componentes adicionados afetam as propriedades dos compósitos. 
A adição dos componentes pode ser de diferentes maneiras, como 
unidirecional, camada por camada e aleatória (KERSCHNITZKI, 2011).
Desse modo, verificamos que em qualquer aplicação de biomaterial, a 
composição e a estrutura de um biomaterial candidato são relevantes 
para as propriedades que devem ser avaliadas. As propriedades 
térmicas de um biomaterial são muito importantes, assim como as 
propriedades físicas, elétricas, mecânicas, químicas e biológicas. 
6363 63
Propriedades térmicas fornecem informações sobre a estabilidade 
da forma, efeito dos métodos de esterilização, processamento e 
modelagem e armazenamento.
TEORIA EM PRÁTICA 
Morais, Guimarães e Elias (2007) dizem que todo 
biomaterial metálico implantado possui alguma 
interação com os tecidos em contato, havendo 
liberação de íons por dissolução, desgaste ou 
corrosão. Nesse trabalho, eles estudam as formas 
em que ocorrem a liberação de íons metálicos por 
alguns tipos de biomateriais metálicos, descrevendo 
a interação íon/tecido e os possíveis efeitos adversos. 
Sendo assim, com base nesse artigo, explique como 
ocorrem as relações entre ìons liberados e tecidos e 
os tipos de liberação de íons.
VERIFICAÇÃO DE LEITURA
1. Os biomateriais são classificados dependendo de sua 
origem, comportamento fisiológico, forma de atuação 
e interação com o corpo e em relação à composição 
química e aos arranjos atômicos. 
Em relação à composição química e aos arranjos 
atômicos, eles podem ser: 
a. Sólidos, líquidos e gasosos. 
b. Pequenos, médios e grandes.
c. Metálicos, cerâmicos e poliméricos. 
6464 
d. Quentes, mornos ou frios.
e. Metálicos, líquidos e poliméricos.
2. Os materiais cerâmicos apresentam propriedades 
semelhantes aos tecidos duros do corpo humano, 
como ossos e dentes.
Assinale a alternativa que apresenta essas propriedades.
a. Elas apresentam degradação química, corroem ou 
conduzem calor ou eletricidade. São inertes, duros 
e quebradiços, fortes sob forças de compressão e 
possuem alta densidade.
b. Não degradam quimicamente, corroem ou 
conduzem calor ou eletricidade. Contudo, não são 
inertes, duros e quebradiços, fortes sob forças de 
compressão e possuem alta densidade. 
c. Não degradam quimicamente, corroem ou 
conduzem calor ou eletricidade. São inertes, moles 
e maleáveis, fortes sob forças de compressão e 
possuem alta densidade. 
d. Não degradam quimicamente, corroem ou 
conduzem calor ou eletricidade. São inertes, duros 
e quebradiços, fortes sob forças de compressão e 
possuem baixa densidade. 
e. Não degradam quimicamente, corroem ou 
conduzem calor ou eletricidade. São inertes, duros 
e quebradiços, fortes sob forças de compressão e 
possuem alta densidade. 
6565 65
3. Os polímeros são comumente definidos por suas 
propriedades térmicas, especialmente sua resposta ao 
calor. Assinale a alternativa que apresenta a definição de 
um polímero termoplástico.
a. São polímeros compostos por moléculas 
independentes, lineares ou ramificadas, que podem 
deformar-se pela a absorção de energia térmica 
(por exemplo polietileno) após aquecimento acima 
da temperatura de fusão e processados (moldados, 
extrudados) por aquecimento. 
b. São polímeros compostos por moléculas 
independentes, lineares ou ramificadas, que podem 
derreter (por exemplo polietileno) após aquecimento 
abaixo da temperatura de fusão e processados 
(moldados, extrudados) por aquecimento. 
c. São polímeros compostos por moléculas 
independentes, lineares ou ramificadas, que podem 
derreter (por exemplo polietileno) após aquecimento 
acima da temperatura de fusão e processados 
(moldados, extrudados) por resfriamento. 
d. São polímeros compostos por moléculas 
independentes, lineares ou ramificadas, que podem 
derreter (por exemplo polietileno) após aquecimento 
abaixo da temperatura de fusão e processados 
(moldados, extrudados) por resfriamento. 
e. São compósitos compostos por moléculas 
independentes, lineares ou ramificadas, que podem 
derreter (por exemplo polietileno) após aquecimento 
acima da temperatura de fusão e processados 
(moldados, extrudados) por aquecimento. 
6666 
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Gabarito
Questão 1 – Resposta: C 
Resolução: Eles são classificados dependendo de sua origem, 
comportamento fisiológico, forma de atuação e interação com o 
corpo e em relação à composição química e aos arranjos atômicos 
(CAO; HENCH, 1996):
• Origem: os biomateriais podem ser autógenos, aloenxerto ou 
enxertos homógenos, xenoenxerto ou enxertos heterogêneos, 
aloplásticos.
6868 
• Interação com os órgãos e tecidos: os biomateriais podem ser 
biotoleráveis, bioinertes e bioativos.
• Forma de atuação: os biomateriais podem ser osteocondutor, 
osteoindutor e osteopromoção. 
• Composição química e arranjos atômicos: os biomateriais podem 
ser metálicos, cerâmicos e poliméricos.
Questão 2 – Resposta: E 
Resolução: Os materiais cerâmicos não degradam quimicamente, 
corroem ou conduzem calor ou eletricidade. São inertes, duros 
e quebradiços, fortes sob forças de compressão e possuem 
alta densidade. Com essas propriedades, eles são semelhantes 
aos tecidos duros do corpo humano, como ossos e dentes 
(CALLISTER; RETHWISCH, 2018). 
Questão 3 – Resposta: A 
Resolução: São polímeros compostos por moléculas 
independentes, lineares ou ramificadas, que podem fundir (por 
exemplo polietileno) após aquecimento acima da temperatura de 
fusão e processados (moldados, extrudados) por aquecimento. 
6969 69
Introdução à nanociência 
e nanotecnologia, tipos e 
classificação de nanomateriais 
Autor: Rafael Misael Vedovatte
Objetivos
• Compreender os conceitos da nanociência 
e nanotecnologia.
• Apresentar os nanomateriais mais conhecidos 
e sua classificação.
• Exemplificar a utilização nanotecnologia por meio 
de produtos já comercializados no mercado.
7070 
1. Nanociência e nanotecnologia
Desde os anos 2000 o termo “nanotecnologia” tem gerado muita 
empolgação, fato que pode ser observado devido ao grande número 
de publicações, livros e periódicos dedicados a esse tema. Nos canais 
de comunicação, é frequente a utilização desse termo como uma 
tecnologia revoluncionária que está mudando o mundo à nossa 
volta, por meio da pesquisa de novos materiais para aplicação nas 
mais diversas áreas, incluindo biotecnologia, eletrônica e medicina 
(SENGUPTA; SARKAR, 2015) (RÓZ et al., 2015). 
Neste momento, alguns questionamentos podem vir à mente em 
relação a esse tema: o que são os materiais nanoestruturados? 
Onde podem ser utilizados? Como podem ser fabricados e 
classificados? Para responder a esses e outros questionamentos, 
torna-se fundamental conhecer e compreender as bases químicas 
e fisícas que permitiram o desenvolvimento da nanociência e, 
consequentemente, da nanotecnologia (RÓZ et al., 2015).
1.1 Nanociência: histórico, princípios e conceitos
Nanociência e nanotecnologia compreendem inicialmente a 
síntese, caracterização, investigação e exploração dos materiais 
nanoestruturados. Os nanomateriais possuem essa nomenclatura pois 
apresentam pelo menos uma de suas dimensões na escala nanométrica, 
ou seja, 0,1 nm a 100 nm, e é esse fato que torna o trabalho com 
esses materiais interessante. As propriedades físicas e químicas dos 
nanomateriais podem diferir significativamente das propriedades dos 
materiais atômicos moleculares ou macroscópicos de mesma composição 
em micro ou macroescalas. A singularidade das características 
estruturais, dinâmicas, energéticas e químicas das nanoestruturas 
constituem a base da nanociência (GOGOTSI, 2006; RÓZ et al., 2015). 
A nanociência pode ser conceituada segundo RÓZ et al. (2015, p. 5) como:
7171 71
A ciência que rege o estudo da nanotecnologia para o desenvolvimento ou 
a melhoria da matéria, graças à possibilidade da manipulação de átomos 
e/ou moléculas, cujos efeitos observados estão intimamente ligados à 
escala nanométrica, sendo observados na melhoria das propriedades 
físicas, químicas e/ou biológicas.
Mas, quão pequena é a escala nanométrica?
Para responder essa pergunta e demonstrar o grau de grandeza 
em trabalhar em escala nanométrica pode-se utilizar a relação 
descrita por Róz et al., (2015), na qual os autores demonstram que 
a relação de tamanho entre uma bola de futebol e o planeta Terra é 
aproximadamente a mesma que a existente entre a mesma bola e uma 
esfera formada por 60 átomos de carbono conhecida como fulereno 
C-60 (Figura 1), que é um material nanométrico. A Terra é cerca de 100 
milhões de vezes maior do que uma bola de futebol e, por sua vez, a 
bola é cerca de 100 milhões de vezes maior do que uma estrutura de 
fulereno, ou seja, um nanômetro (nm) nada mais é que 1 bilionésimo de 
1 metro (1 nm = 1×10−9 metros) (RÓZ et al., 2015).
Figura 1 – C-60 Fulereno – esfera formada por 
60 átomos de carbono (icosaedro truncado)
Fonte: Leonid Andronov/iStock.com.
Para compreender os fenômenos observados nos nanomateriais se faz 
necessário ampliar os conceitos de nanotecnologia e nanociência. 
7272 
O termo nanotecnologia foi criado por Norio Taniguchi da Universidade 
de Tóquio em 1974, o qual foi descrito como: a habilidade de criar e 
manipular materiais em escala nanométrica. Entretanto, as primeiras 
discussões em relação a esses conceitos remetem ao final da década 
de 50, onde em 1959 o físico americano Richard Feynman em sua 
famosa palestra There's plenty of room at the bottom (Há muito espaço 
lá embaixo) apresentou a primeira discussão em torno da nanociência. 
Feynman surpreendeu ao público exemplificando que seria possível, 
proporcionalmentente, abrir todas as páginas da Enciclopédia Britânica 
na área da cabeça de um alfinete, fato inconcebível para a tecnologia 
disponível na época (RÓZ et al., 2015) (GOGOTSI, 2006; SENGUPTA; 
SARKAR, 2015).
ASSIMILE
A nanotecnologia é a ciência e a tecnologia dos 
objetos em nanoescala, cujas propriedades diferem 
significativamente das de seu material constituinte 
(do objeto mencionado) na escala macroscópica ou 
microscópica (SENGUPTA; SARKAR, 2015).
Em 1986, os pesquisadores GerdBinning e Heinrich Rohrer 
desenvolveram um microscópio conhecido como microscópio de 
tunelamento (STM – Scanning Tunneling Microscope). Esse microscópio 
foi o precursor da família de instrumentos que revolucionaram 
a capacidade de visualizar superfícies e materiais que não eram 
observáveis anteriormente (RÓZ et al., 2015). Essa tecnologia 
permitiu compreender as discussões realizadas por Feynman em sua 
palestra (RÓZ et al., 2015), pois possibilitou a criação de técnicas de 
manipulação de átomos e moléculas, de modo que fossem obtidos 
arranjos nanométricos (MARCONE, 2015; SENGUPTA; SARKAR, 2015; 
GOGOTSI, 2006).
7373 73
A Microscopia de Força Atômica (AFM – Atomic Force Microscopy) é um 
exemplo de uma técnica derivada do STM que tornou possível obter 
imagens de materiais que não conduzem eletricidade. A partir desse 
advento, muitos grupos de pesquisa demonstraram a manipulação da 
matéria a partir da nanoescala (RÓZ et al., 2015). 
Em RÓZ et al. (2015), os autores trazem 6 razões pelas quais é 
importante estudar nanociência:
1. Estudo de propriedades que são observadas na natureza, 
mas ainda não extensíveis ao mundo macroscópico.
2. O desafio na obtenção de nanomateriais, requerendo assim, 
mais pesquisas e estudos nessa área.
3. Muitas das estruturas nanométricas ainda são inacessíveis, 
e seu estudo pode levar a novos fenômenos.
4. Nanoestruturas apresentam uma variedade de tamanho em que 
os fenômenos quânticos variam de acordo com a estrutura.
5. Compreender a funcionalização de estruturas nanométricas 
para aplicações como nanofármacos em biologia.
6. A nanociência será a base para o desenvolvimento da 
nanoeletrônica e fotônica.
É importante destacar que o crescimento da nanociência e da 
nanotecnologia no início dos anos 2000 também se deve ao 
aprimoramento da síntese de nanomateriais, reduzindo os custos 
associados e aumentando a produtividade desses materiais (GOGOTSI, 
2006). Para conhecimento, a síntese pode ocorrer por duas principais 
abordagens, sendo a primeira chamada de bottom-up ou “de baixo para 
cima”, e a segunda top-down ou “de cima para baixo”. 
7474 
O método up-down é mais comum, destaca-se a litografia, que 
consiste em um processo à seco que utiliza a luz para fazer gravações 
de padrões. Já nos métodos bottom-up baseiam-se a auto-organização 
do sistema, a partir da manipulação das interações químicas e físicas 
entre os átomos e moléculas. Estes métodos ocorrem com a utilização 
de solventes, através de sínteses que utilizam métodos químicos, 
físicos ou biológicos para a obtenção do nanomaterial de interesse 
(MARCONE, 2015).
A definição do método de síntese inteferirá diretamente na estutura 
e morfologia do nanomaterial, o que consequentemente afetará as 
propriedades e a classificação do componente. A Figura 2 demonstra 
essas duas abordagens, onde top-down está exemplificado com o 
processamento de um cubo de forma a obter partículas cada vez 
menores, e bottom-up representado pela manipulação de átomos de 
forma a organizá-los em uma estrutura ordenada maior.
Figura 2 – Abordagens bottom-up e top-down
Fonte: Chrischon (2016).
Os nanomateriais podem ser classificados de acordo com o 
seu potencial para aplicação na indústria ou também pela sua 
morfologia. Neste material será trabalhada a classificação por 
aplicação. Nesse caso, os nanomateriais são divididos em sete 
categorias (TIELAS et al., 2014):
7575 75
Fonte: elaborada pelo autor.
A seguir serão discutidas, brevemente, as categorias elencadas 
anteriormente.
1.1.1 Nanomateriais à base de carbono
Os nanomateriais à base de carbono são amplamente 
mencionados no campo das aplicações de energia e apresentam 
potenciais aplicações nas áreas de armazenamento de hidrogênio e 
de energia elétrica (TIELAS et al., 2014). 
Nessa classe de materiais devem ser destacados os nanotubos de 
carbono, o fulereno e o grafeno. O nanotubo de carbono (CNT – 
carbon nanotube), nanofibras de carbono (CNF – carbon nanofiber), 
grafeno e fulerenos são nanomateriais amplamente utilizados em 
diversas aplicações industriais. Os nanotubos de carbono de parede 
única (SWCNTs – single wall carbon nanotube) são distribuidos como 
uma camada de átomos de carbono envolvidos em torno de si 
próprios (Figura 3), enquanto os nanotubos de carbono de paredes 
múltiplas (MWCNT – Multi-Walled Carbon Nanotubes) são como uma 
série de SWCNTs concêntricos, com diâmetros diferentes (TIELAS et 
al., 2014).
7676 
Figura 3 – Nanotubos de carbono – Nanotubo de 
carbono de parede única (SWCNT)
Fonte: johnerickson/iStock.com.
Outro nanomaterial muito estudado dentro da nanociência são os 
fulerenos, devido essencialmente a sua capacidade em sintetizar outros 
compostos químicos. Os átomos de carbono de C-60 (fulerenos) formam 
um icosaedro no qual cada átomo se localiza num vértice. Este arranjo 
geométrico, formado por 12 pentágonos e 20 hexágonos, torna todos os 
átomos de carbono equivalentes (TIELAS et al., 2014). 
Os fulerenos possuem propriedades fotofísicas e eletroquímicas e 
na presença de oxigênio, as moléculas de fulerenos podem oferecer 
alta toxicidade. A intercalação de metais alcalinos com moléculas de 
C-60 pode gerar materiais supercondutores. Os fulerenos também 
podem apresentar aplicações biomédicas, tais como a atividade 
antiviral, antioxidante, antimicrobiana, transporte de drogas de 
efeito radioterápico e contrastes para diagnóstico por imagem 
(FUNDACENTRO, 2017).
O grafeno é uma das formas alotrópicas do carbono. Esse nanomaterial 
apresenta a maior condutividade elétrica conhecida, além de, desde 
2012, ser o material mais forte conhecido, apresentando uma resistência 
à ruptura 200 vezes maior que a do aço (TIELAS et al., 2014).
7777 77
Figura 4 – Camada de grafeno
Fonte: ktsimage/iStock.com.
O maior destaque, no âmbito da pesquisa de nanomateriais à base 
de carbono nos últimos anos, tem sido dado à sua produção e 
caracterização, como pode ser observado em projetos e em artigos de 
revisão científica (TIELAS et al., 2014).
1.1.2 Nanocompósitos
Um compósito é um material com mais de um componente, porém de 
origem distinta, no qual aproveita-se as melhores propriedades de cada 
componente para fabricar um material superior. 
Os nanocompósitos são um subconjunto da classe dos materiais 
compósitos que utilizam as propriedades diferenciadas dos 
materiais em nanoescala. O potencial dos nanocompósitos reside na 
multifuncionalidade, ou seja, na possibilidade de realizar combinações 
únicas de propriedades, quando comparadas com materiais tradicionais. 
Os nanocompósitos de polímeros/material cerâmico (matrizes poliméricas 
preenchidas com nanopartículas de cerâmica) são um material promissor 
para produzir capacitores/condensadores incorporados em materiais 
plásticos, pois esses materiais combinam a alta constante dielétrica do 
material cerâmico com a flexibilidade de processamento de polímeros. 
Já os nanocompósitos metálicos ou poliméricos (matrizes poliméricas 
com nanopartículas metálicas dispersas) combinam desempenho e 
flexibilidade de processamento (TIELAS et al., 2014). 
7878 
Além disso, os nanocompósitos são utilizados também em várias 
aplicações médicas, como diagnóstico de doenças, materiais 
biomiméticos e biológicos, aplicações dentárias e nanossensores sob a 
pele (TIELAS et al., 2014).
1.1.3 Metais e ligas
Os materiais metálicos nanoestruturados e nanocristalinos oferecem 
melhorias radicais de propriedades ou novas funções que podem 
desempenhar um papel crucial na procura de soluções inovadoras e da 
alta produtividade (TIELAS et al., 2014). Como principais exemplos temos:
• Aplicação de nanopartículas de prata e outros metais nobres, 
especialmente no âmbito da saúde (função antibacteriana), mas 
também algumas aplicações especiais como sensores, conversores 
de energia e componentes eletrônicos (TIELAS et al., 2014).
• Aplicações estruturais, com metais mais leves com propriedades 
mecânicas superiores: ligas de Al e Mg, Ti e ligasde Ti – melhoria 
radical de vários tipos de propriedades mecânicas causadas por 
uma mudança de mecanismo de deformação em comparação 
com materiais convencionais (TIELAS et al., 2014).
Materiais nanoestruturados metálicos podem ser utilizados no 
tratamento de superfície, contra desgaste e corrosão de revestimentos. 
Também são aplicados por eletrodeposição, por exemplo, para a 
reparação de trocadores de calor, diminuição do desgaste e atrito. 
Além do revestimento, nanopartículas são utilizadas para o tratamento 
de superfície de peças de metal para produzir uma camada protetora 
na sua superfície. Resumindo, os nanometais têm um enorme 
potencial para aplicações em eletrônica, construção, transformação de 
energia, armazenamento de energia, telecomunicações, tecnologia da 
informação, medicina, catálise e proteção do meio ambiente, com alto 
impacto possível nas áreas de tecnologia relacionadas com a energia, a 
saúde e os materiais (TIELAS et al., 2014).
7979 79
1.1.4 Nanomateriais biológicos
Uma das principais tendências para as moléculas biológicas é a 
automontagem molecular para produzir nanoestruturas para vários 
nanodispositivos. Atualmente, uma grande quantidade de diferentes 
materiais e abordagens estão sob pesquisa (TIELAS et al., 2014). 
Há um grande número de nanomateriais biológicos, que já são 
produzidos e empregados com sucesso como drug deliveries (sistemas 
de administração de medicamentos). São utilizados no tratamento de 
várias doenças crônicas, especialmente tumores, HIV, hipertensão, 
asma e diabetes (BHAT et al., 2019). 
Como principais exemplos dessa categoria observam-se os lipossomas 
nanopartículas lipídicas sólidas, nanocápsulas, nanoesferas, 
dendrímeros, nanopartículas metálicas, pontos quânticos, nanotubos, 
nanocristais, nanofios e nanobots (BHAT et al., 2019).
Esses materiais encontram-se facilmente disponíveis devido a 
simples rota de síntese, são facilmente funcionalizados e apresentam 
características fundamentais para sua utilização na área médica. Por 
exemplo: estabilidade, baixa toxicidade e biocompatibilidade (BHAT et 
al., 2019).
1.1.5 Nanopolímeros
Os nanopolímeros são um dos nanomateriais mais importantes 
para o futuro e têm aplicações na medicina, ciência dos materiais e 
energia. As nanopartículas de polímeros são unidades poliméricas em 
nanoescala, sendo utilizados em sistemas de assimilação/distribuição 
de substâncias ou como material de enchimento nos compósitos com 
matriz. As nanofibras, nanofibras ocas, nanofibras de núcleo core-
shell e nanobastões ou nanotubos produzidos têm grande potencial 
para uma ampla gama de aplicações, incluindo catálise homogênea e 
heterogênea, sensores, aplicações de filtros e optoeletrônica.
8080 
As fibras core shell de nanopartículas com núcleos líquidos e cascas 
sólidas podem ser usadas para prender objetos biológicos tais como 
proteínas, vírus ou bactérias, em condições que não afetem as suas 
funções (TIELAS et al., 2014). 
1.1.6 Nanovidros
As nanotecnologias têm potencial para sistemas de comunicação e 
informação altamente eficientes, tanto para o setor da defesa como para 
aplicações comerciais. 
Nos últimos anos a nanociência e nanotecnologia têm seguido uma 
tendência na qual se torna necessário abordar as questões fundamentais 
da ótica em escala nanométrica. Em geral, a ótica near-field e a nano-ótica 
abordam as questões fundamentais da ótica em escala nanométrica no 
campo da tecnologia e das ciências básicas. Nesse campo a tecnologia é 
representada por temas como nanolitografia e armazenamento de dados 
óticos de alta densidade, enquanto temas como interações átomo/fotões 
na ótica de near-field são representativos no que diz respeito às ciências 
básicas. Para essa classe se destacam os vidros nanoporosos e os vidros 
fotônicos (TIELAS et al., 2014). 
1.1.7 Nanocerâmicas
As nanocerâmicas são utilizadas mais costumeiramente, em estudos e 
pesquisas, na forma de pós para incorporação em misturas e sínteses. 
Quando aplicadas a produtos comerciais observar a sua utilização como 
aditivos voltados para a obtenção e aprimoramento de propriedades 
associadas à tribologia, comportamento mecânico e resistência à 
corrosão aos produtos recém-fabricados (TIELAS et al., 2014). 
Alem disso, a produção de nanopós, principalmente com qualidade e 
reprodutibilidade adequadas promove a aplicação das nanocerâmicas 
em outras áreas, como a medicina. Como exemplo temos o emprego de 
nanopós, em escala comercial, para atuação como pigmentos, isolantes 
etc. (TIELAS et al., 2014). 
8181 81
1.2 Aplicações da nanotecnologia 
As aplicações comerciais da nanotecnologia são verdadeiramente 
diversas. Na nanotecnologia os produtos estão encontrando seu 
caminho em uma variedade de diferentes indústrias, tais como 
automobilística aeroespacial, biotecnologia, cosméticos, defesa, energia, 
eletrônica, saúde, esportes/fitness, têxteis e calçados. A lista a seguir 
dá alguns exemplos de como a nanotecnologia está pronta para ser 
incorporada no mundo (SENGUPTA; SARKAR, 2015):
• Automobilística: materiais nanocompósitos resistentes e ultraleves 
para carros esportivos e motos de alto desempenho, tintas 
resistentes à sujeira e pára-brisas/espelhos antiembaçantes com 
nanocoatings hidrofóbicos, melhores células de combustível para 
veículos híbridos/elétricos. 
• Aeronáutica: compósitos de fibra de carbono para aviões e 
helicópteros modernos que ajudam a diminuir o peso e aumentar 
a eficiência do combustível. 
• Construção: concreto “autorreparável” feito de nanocompósitos e 
nanobiotecnologia.
• Defesa: capacetes nanocompostos mais leves e melhores e à 
prova de balas para pessoal de segurança/ contraterrorismo, 
automonitoramento.
• Eletrônica: MOSFETs em nanoescala, FETs de nanotubos de 
carbono (CNT), grafeno FETs, emissores de campo CNT, laser em 
cascata quântica, transistores de elétrons simples (SET) .
• Cuidados de saúde: entrega de fármacos (drug delivery), em 
que determinados agentes são distribuídos seletivamente para 
tratar doenças complexas, como câncer, tumores e doenças 
neurodegenerativas como Alzheimer. 
8282 
Por isso, é compreensível que tenha havido um boom nano nos últimos 
anos. Com financiamento público e corporativo para pesquisa e 
desenvolvimento nano-relacionados e manufatura, apenas contribuirá 
ainda mais para o desenvolvimento dessa classe de materiais.
PARA SABER MAIS
Utilize ferramentas de busca para conhecer mais aplicações 
dos nanomateriais em situações relacionadas à sua 
formação. Um exemplo de destaque é o grafeno, descoberto 
em 2004, aplicado para fabricação de dispositivos 
fotovoltaicos, atuando como receptor de elétrons.
O mercado global de nanotecnologia é estimado em 2 trilhões de 
dólares. Desde 1999, tem havido uma taxa média de crescimento 
anual de cerca de 22% para nanobiotecnologia e cerca de 12-15% para 
nanodispositivos no mercado mundial. Pode-se ver exatamente que 
a nanotecnologia e a nanociência tomarão ainda mais destaque nos 
próximos anos. No entanto, de todas as indicações nas últimas décadas, 
parece que a nanotecnologia veio para ficar e ter um impacto científico, 
tecnológico e social significativo (SENGUPTA; SARKAR, 2015).
Sendo assim, é importante conhecer essa ascendente e importante 
classe de materiais para não ser surpreendido na atuação no mercado 
de trabalho, em constante mudança.
TEORIA EM PRÁTICA 
Em nanoescala, os materiais apresentam propriedades 
físicas e químicas diferentes das propriedades do mesmo 
material em micro ou macroescalas. A nanociência rege 
8383 83
o estudo da nanotecnologia para o desenvolvimento ou a 
melhoria da matéria, graças à possibilidade da manipulação 
de átomos e/ou moléculas, cujos efeitos observados estão 
intimamente ligados à escala nanométrica. Um exemplo 
de material que pode ser manipulado para obtenção de 
diferentes características é o ouro (Au). Suponha que você 
esteja em um dia comum atuando no seu laboratório 
de pesquisa, quando seu aluno de iniciaçãocientífica te 
aborda com uma dúvida. Seu projeto de pesquisa estuda 
a dispersão de nanopartículas de ouro e, durante a análise 
de resultados experimentais, não consegue compreender 
o porquê a dispersão não apresentou a coloração dourada, 
esperada para o material de estudo: ouro. Logo, seu aluno 
te questiona sobre os motivos pelos quais isso ocorreu.
Sobre esse tema, explique por que esse metal apresenta 
diferentes colorações quando se varia o tamanho da 
partícula para nanoescala.
VERIFICAÇÃO DE LEITURA
1. Nos últimos vinte anos, os nanomateriais têm gerado 
muita empolgação, fato que pode ser observado devido 
ao grande número de publicações, livros e periódicos 
dedicados a essa classe de materiais. Nos canais 
de comunicação, observa-se o emprego do termo 
“nanomaterial” com bastante frequência, sendo descrito 
como os materiais que estão mudando o mundo à 
nossa volta devido à ampla área de aplicação desses em 
setores tecnológicos (geração de energia e eletrônica).
8484 
Sobre esse tema, assinale a alternativa que 
completa corretamente o trecho a seguir: 
A __________ é a ciência e a tecnologia da 
matéria em nanoescala, cujas propriedades 
diferem significativamente das de seu material 
constituinte (do objeto mencionado) na escala 
__________ ou microscópica. 
a. Nanotecnologia; macroscópica.
b. Nanociência; nano.
c. Nanotecnologia; nano.
d. Nanociência; macroscópica.
e. Fotônica; macroscópica.
2. O mercado global de nanotecnologia é estimado 
em 2 trilhões de dólares. Desde 1999, tem havido 
uma taxa média de crescimento anual de cerca 
de 22% para nanobiotecnologia e cerca de 
12-15% para nanodispositivos no mercado 
mundial (SENGUPTA; SARKAR, 2015).
Sobre esse tema, assinale a alternativa que apresenta 
corretamente o conceito definido a seguir: 
A ciência que rege o estudo da nanotecnologia para o 
desenvolvimento ou a melhoria da matéria, graças à 
possibilidade da manipulação de átomos e/ou moléculas, 
cujos efeitos observados estão intimamente ligados à 
escala nanométrica, sendo observados na melhoria das 
propriedades físicas, químicas e/ou biológicas. 
8585 85
a. Nanomedicina.
b. Nanoengenharia.
c. Nanoestudo.
d. Nanociência.
e. Nanotecnologia.
3. Os nanomateriais à base de carbono são amplamente 
mencionados no campo das aplicações de energia 
e apresentam potenciais aplicações nas áreas de 
armazenamento de hidrogênio e armazenamento de 
energia elétrica. (TIELAS et al., 2014). Sobre esse tema, 
assinale a alternativa que apresenta, corretamente, o 
nome do nanomaterial apresentado a seguir:
Fonte: johnerickson/iStock (ID 453429275). 
a. Grafeno.
b. Fulereno.
c. Nanotubo de carbono.
d. Pervoskita.
e. Nanofibra de carbono.
8686 
Referências bibliográficas
BHAT, Aamir Hussain et al. Nanomaterials for healthcare, energy and 
environment. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd, 2019.
CHRISCHON, Dieivase. Nanotubos magnéticos sintetizados por eletrodeposição 
em alumina anódica porosa. 2016. Disponível em: https://www.researchgate.
net/publication/327894109_NANOTUBOS_MAGNETICOS_SINTETIZADOS_POR_
ELETRODEPOSICAO_EM_ALUMINA_ANODICA_POROSA. Acesso em: 17 ago. 2018.
FUNDACENTRO. Fulerenos. 2017. Disponível em: http://www.fundacentro.gov.br/
nanotecnologia/fulerenos. Acesso em: 19 ago. 2019.
GOGOTSI, Yury. Nanomaterials handbook. Boca Raton, London, New York: Taylor 
& Francis Group, 2006. 779 p.
MARCONE, Glauciene Paula de Souza. Nanotecnologia e nanociência: aspectos 
gerais, aplicações e perspectivas no contexto do Brasil. 2015. Disponível em: 
https://revistascientificas.ifrj.edu.br/revista/index.php/revistapct/article/view/588. 
Acesso em: 14 ago. 2019.
RÓZ, Alessandra Luzia da et al. Nanoestruturas: coleção nanociência e 
nanotecnologia: princípios e aplicações. Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. 278 p.
SENGUPTA, Amretashis; SARKAR, Chandan Kumar. Introduction to nano: basics 
to nanoscience and nanotechnology. Berlin: Springer-verlag Berlin Heidelberg, 
2015. 226 p.
TIELAS, Alberto et al. Nanomateriais - guia para o espaço industrial Sudoe. 2014. 
Disponível em: https://www.ua.pt/ReadObject.aspx?obj=37947. Acesso em: 18 
ago. 2019.
Gabarito
Questão 1 – Resposta: A
Resolução: A nanotecnologia é a ciência e a tecnologia dos objetos 
em nanoescala, cujas propriedades diferem significativamente 
das de seu material constituinte (do objeto mencionado) na escala 
macroscópica ou microscópica. (SENGUPTA; SARKAR, 2015)
Questão 2 – Resposta: D
Resolução: A nanociência pode ser conceituada segundo RÓZ et 
al. (2015) como: “A ciência que rege o estudo da nanotecnologia 
https://www.researchgate.net/publication/327894109_NANOTUBOS_MAGNETICOS_SINTETIZADOS_POR_ELETRODEPOS
https://www.researchgate.net/publication/327894109_NANOTUBOS_MAGNETICOS_SINTETIZADOS_POR_ELETRODEPOS
https://www.researchgate.net/publication/327894109_NANOTUBOS_MAGNETICOS_SINTETIZADOS_POR_ELETRODEPOS
http://www.fundacentro.gov.br/nanotecnologia/fulerenos
http://www.fundacentro.gov.br/nanotecnologia/fulerenos
https://revistascientificas.ifrj.edu.br/revista/index.php/revistapct/article/view/588
https://www.ua.pt/ReadObject.aspx?obj=37947
8787 87
para o desenvolvimento ou a melhoria da matéria, graças 
à possibilidade da manipulação de átomos e/ou moléculas, 
cujos efeitos observados estão intimamente ligados à escala 
nanométrica, sendo observados na melhoria das propriedades 
físicas, químicas e/ou biológicas”.
Questão 3 – Resposta: B
Resolução: Os fulerenos possuem propriedades fotofísicas 
e eletroquímicas e na presença de oxigênio, as moléculas de 
fulerenos podem oferecer alta toxicidade. A intercalação de 
metais alcalinos com moléculas de C-60 pode gerar materiais 
supercondutores. Os fulerenos também apresentam aplicações 
biomédicas, tais como a atividade antiviral, antioxidante, 
antimicrobiana, transporte de drogas de efeito redioterápico e 
contrastes para diagnóstico por imagem (FUNDACENTRO, 2017). 
Figura – C-60 Fulereno
Fonte: johnerickson/iStock.com.
8888 
Síntese eletroquímica de 
materiais nanoestruturados e 
nanomateriais magnéticos 
Autor: Rafael Misael Vedovatte
Objetivos
• Compreender a síntese eletroquímica de 
materiais nanoestruturados.
• Apresentar a técnica de eletrodeposição para 
fabricação de filmes nanoestruturados.
• Apresentar as técnicas de síntese de 
nanoparticulas magnéticas.
8989 89
1. Síntese dos materiais nanoestruturados
O crescimento da nanociência e da nanotecnologia não teria ocorrido 
de forma tão expressiva sem a evolução das técnicas de síntese e 
caracterização dos materiais nanoestruturados. Sobre esse tema, 
é importante ressaltar que ainda são muito recentes as pesquisas 
dedicadas à investigação da capacidade de fabricação, organização e 
adaptação de materiais à nanoescala. 
Logo, muitos métodos de síntese ainda se encontram em fase de 
desenvolvimento e principalmente de aprimoramento por muitos 
grupos de pesquisa. Mesmo assim, algumas pesquisas citadas 
por Gogotsi (2006) exibem exemplos notáveis da síntese de novas 
nanoestruturas, as quais se destacam: 
• Nanocristais de metais, semicondutores e materiais magnéticos, 
empregando métodos de química coloidal.
• O uso de métodos físicos e químicos para a síntese de 
nanopartículas de materiais cerâmicos.
• Deposição de superfície de aglomerados e nanocristais em grafite 
e outras superfícies metálicas ou semicondutoras para obter 
novos nanosistemas tridimensionais ou bidimensionais.
• Nanotubos de carbono de paredes simples e múltiplas, bem como 
nanotubos de materiais inorgânicos, como óxidos metálicos, 
calcogenetos e nitretos.
• Nanofios de metais, semicondutores, óxidos, nitretos, sulfetos e 
outros materiais.
• Novas estruturas poliméricas envolvendo dendrímeros e 
copolímeros em bloco.
9090 
• Estruturas nanobiológicas (por exemplo, centros de reação 
fotossintética bacteriana e vegetal e segmentos de DNA). 
Para fabricar nanoestruturas com objetivo de torná-las funcionais, se faz 
necessário controlar a morfologia eo tamanho destas durante a síntese 
(GOGOTSI, 2006). 
1.1 Fundamentos de síntese eletroquímica
A síntese eletroquímica pode empregar várias técnicas experimentais, 
porém utiliza os mesmos fundamentos teóricos relacionados com 
reações em eletrodos condutores imersos em solução contendo íons. 
Mas, o que torna esta síntese atraente? A resposta para essa pergunta 
está na série de vantagens que este processo oferece em comparação 
aos métodos químicos tradicionais, tais como (RÓZ et al., 2015; 
GECKELER; NISHIDE, 2010; SENGUPTA; SARKAR, 2015; BRECHIGNAC et al., 
2006; VOLLATH, 2013; EFTEKHARI, 2008): 
• Fácil fabricação. 
• Baixo custo.
• Homogeneidade das amostras. 
• Controle das propriedades do material.
• Boa reprodutibilidade. 
Em termos gerais, a síntese eletroquímica necessita que um substrato 
condutor de elétrons seja mergulhado em uma solução contendo íons 
para que se inicie o processo. Nesta síntese, dois tipos de processos 
eletroquímicos podem ocorrer (RÓZ et al., 2015):
9191 91
Figura 1 – Processos eletroquímicos disponíveis 
na síntese eletroquímica
Fonte: elaborada pelo autor.
ASSIMILE
Nos processos faradaicos, a Lei de Faraday atesta que a 
quantidade do produto formado ou reagente consumido 
em função da corrente elétrica é estequiometricamente 
equivalente à quantidade de elétrons fornecidos, ou 
seja, a quantidade, em gramas, das espécies que se 
oxidarão ou reduzirão sobre o eletrodo é proporcional à 
quantidade, em mols, de elétrons envolvidos.
Para realização da síntese eletroquímica necessita-se de um sistema 
conhecido como célula eletroquímica (Figura 1.1.2). De acordo com 
a literatura, pode-se classificar a célula eletroquímica de acordo com 
a maneira pela qual a corrente elétrica passa pelos os eletrodos 
(RÓZ et al., 2015). 
9292 
Figura 2 – Ilustração da configuração experimental 
de uma célula eletroquímica
Fonte: Róz et al. (2015, p. 70).
Em uma célula classificada como galvânica, ocorrem reações 
espontâneas nos eletrodos quando estão conectados externamente por 
um condutor e são normalmente empregadas na conversão de energia 
química em energia elétrica. Por outro lado, nas células eletrolíticas as 
reações químicas são afetadas pela imposição de uma voltagem externa 
superior ao potencial de circuito aberto na célula (RÓZ et al., 2015). 
Por definição, as reações nas células eletroquímicas, que ocorrem 
no cátodo, são denominadas como reações de redução, enquanto as 
reações que ocorrem no ânodo são as reações de oxidação. Na célula 
eletrolítica, o cátodo é negativo em relação ao ânodo, enquanto na 
célula galvânica ele é positivo. Na síntese eletroquímica, uma célula 
eletrolítica é composta por uma cuba feita normalmente de vidro, onde 
o eletrólito é inserido e os eletrodos são imersos em solução. É comum 
9393 93
a célula ser revestida por uma camada externa isolada onde o controle 
da temperatura do eletrólito é realizado com o auxílio de um banho 
termostático acoplado a um sistema de circulação (RÓZ et al., 2015). 
Em um experimento padrão, três tipos de eletrodos podem ser 
utilizados (RÓZ et al., 2015): 
• Eletrodo de trabalho: o eletrodo de trabalho é o substrato 
condutor no qual ocorre a reação eletroquímica. 
• Eletrodo de referência: eletrodo que possui potencial conhecido e 
invariável em relação ao eletrodo-padrão de hidrogênio na faixa 
de potenciais conhecidos. 
• Eletrodo auxiliar: um eletrodo auxiliar ou contraeletrodo é 
necessário para o fluxo de corrente elétrica e de íons, de forma a 
fechar o circuito elétrico do sistema. 
Também podem ser acoplados ao sistema: um agitador magnético 
utilizado para manter constantes os processos físicos de transporte de 
íons na interface eletrodo/eletrólito; um borbulhador para a entrada 
de nitrogênio e um saturador para a extração de oxigênio dissolvido 
no eletrólito e manutenção da fase gasosa inerte dentro da célula. 
Este tipo de configuração de célula é comumente utilizada nas reações 
de eletrodeposição, que são as reações onde os íons presentes no 
eletrólito são depositados na superfície do substrato por uma reação 
de redução (RÓZ et al., 2015).
Reações de oxidação anódica ou anodização, apresentam o crescimento 
de um filme de óxido na superfície do eletrodo de trabalho, neste 
caso, normalmente, não se utiliza o eletrodo de referência. Logo, para 
determinar o potencial do eletrodo de trabalho leva-se em consideração 
a diferença de potencial entre este eletrodo e o contraeletrodo. 
Neste tipo de experimento (Figura 1.1.3), é habitual utilizar dois 
contraeletrodos dispostos de forma simétrica e paralela ao eletrodo de 
9494 
trabalho, para que o campo elétrico permaneça homogêneo nas faces 
do eletrodo que será submetido à anodização (RÓZ et al., 2015).
Figura 3 – Ilustração e foto de uma célula eletroquímica tradicional
Fonte: Róz et al. (2015, p. 71).
As reações eletroquímicas podem ser facilmente controladas pelo 
potencial aplicado na célula eletrolítica. Por isso a importância em 
compreender a relação dos compontes utilizados no equipamento.
2. Síntese de filmes nanoestruturados por 
eletrodeposição
Na síntese de filmes nanoestruturados por eletrodeposição observa-
se que as reações ocorrem, principalmentne, na interface entre o 
eletrodo e o eletrólito e são promovidas pelos gradientes formados 
entre as diferenças de potencial químico e elétrico das espécies 
envolvidas (RÓZ et al., 2015). 
Durante a eletrodeposição, o eletrodo de trabalho é polarizado 
negativamente em relação ao eletrodo de referência, de forma que os 
9595 95
íons metálicos de carga positiva presentes na solução eletrolítica são 
atraídos em direção ao substrato metálico e reduzidos à sua forma 
metálica na superfície do eletrodo. O resultado é a formação de um 
filme compacto, denso e fortemente aderido ao substrato, sendo que 
sua espessura pode ser monitorada (RÓZ et al., 2015).
Para se controlar o processo de preparação de eletrodepósitos com 
dimensões na escala nanométrica é necessário um conhecimento dos 
processos de nucleação, crescimento dos filmes e cinética das reações 
eletroquímicas, que são influenciados por uma série de fatores, tais 
como (RÓZ et al., 2015): 
• Técnica eletroquímica utilizada. 
• Tipo de substrato.
• Temperatura.
• Composição. 
• Concentração do eletrólito. 
A nucleação é a primeira etapa de formação do filme metálico. 
Nesta etapa observa-se que a formação dos núcleos tende a ocorrer, 
preferencialmente, sobre defeitos e imperfeições presentes na 
superfície do eletrodo de trabalho. Como exemplos pode-se citar os 
contornos de grãos, buracos, inclusões, camadas de óxido e moléculas 
adsorvidas. A presença de impurezas adsorvidas, a estrutura e a 
orientação cristalográfica do substrato atuam de forma a influenciar 
o processo de nucleação promovendo morfologias e características 
específicas para o filme em formação. Por isso a determinação correta 
do substrato é extremamente importante. Dentre os materiais mais 
comumente utilizados como eletrodo de trabalho em eletrodeposição 
estão a platina, ouro, cobre, aço inoxidável, carbono vítreo e ITO (óxido 
de estanho-índio). Estes materiais apresentam estabilidade química, 
9696 
boa resistência à corrosão, facilidade de remoção de impurezas 
da superfície e possibilidade de funcionalização da superfície para 
diferentes aplicações (RÓZ et al., 2015). 
Mas, como controlar a reação eletroquímica?
A reação eletroquímica pode ser controlada por quatro tipos de 
mecanismos (RÓZ et al., 2015): 
• Reação de transferência de carga: transferência de íons e 
elétrons, através da dupla camada elétrica.
• Difusão: as espécies consumidas ou formadas durante as 
reações são transportadas da solução até a interface do 
substrato e vice-versa.
• Reação química: correspondem às reações homogêneas em 
solução ou heterogêneas na superfície do eletrodo e não 
envolvem transferência de carga, não sendo então afetadas 
pelo potencial aplicado.
• Cristalização: átomos são incorporadosou removidos da rede 
cristalina do metal que está sendo formado.
Durante a escolha do eletrólito, deve-se levar em consideração a 
composição do banho eletrolítico, o pH e a presença de aditivos, 
pois estes fatores podem afetar fortemente a estrutura da interface 
eletrólito/substrato, a cinética de transferência de carga e de massa, 
bem como a cinética de reações químicas secundárias que podem 
ocorrer paralelamente ao processo (RÓZ et al., 2015). 
Definidos os parâmetros iniciais, deve-se também atentar para os 
processos de nucleação e de cristalização, nos quais a nucleação é um 
processo caracterizado pelas seguintes etapas: (i) difusão dos íons até 
a interface eletrólito/substrato, (ii) dessolvatação parcial, (iii) adsorção 
na superfície do substrato e (iv) dessolvatação completa e nucleação 
(RÓZ et al., 2015).
9797 97
Além do substrato, outra variável importante que afeta o processo 
de eletrodeposição e as características dos filmes obtidos é a 
temperatura, pois interfere na velocidade das reações, nos processos 
difusionais e na viscosidade do meio. No entanto, vale ressaltar 
que ao contrário de outros métodos utilizados na preparação de 
materiais nanoestruturados, a síntese eletroquímica não requer altas 
temperaturas (RÓZ et al., 2015). 
Em relação às técnicas de eletrodeposição mais comumente utilizadas 
estão a voltametria cíclica, cronoamperometria, cronopotenciometria 
e métodos pulsados, que são escolhidos de acordo com o tipo e as 
propriedades do material que se deseja obter (RÓZ et al., 2015).
• A voltametria cíclica é um método potenciodinâmico, isto 
é, com variação simultânea do potencial e da corrente, que 
consiste na varredura de potenciais em um intervalo específico 
a uma velocidade constante enquanto a variação de corrente é 
monitorada.
• A cronoamperometria é um método potenciostático no qual 
o potencial é mantido fixo de forma que as reações tendem a 
se limitar pelo potencial aplicado, e a resposta observada é a 
variação de corrente em função do tempo.
• Os métodos pulsados envolvem a aplicação de pulsos de corrente 
ou de potencial durante um intervalo de tempo específico.
Dependendo da técnica utilizada, os processos de nucleação e a 
cinética de crescimento dos filmes mudam, levando à formação de 
eletrodepósitos nanoestruturados com propriedades e características 
distintas (RÓZ et al., 2015).
3. Síntese de nanopartículas magnéticas
Diversos trabalhos (GECKELER; NISHIDE, 2010; SENGUPTA; SARKAR, 2015; 
BRECHIGNAC et al., 2006; VOLLATH, 2013; EFTEKHARI, 2008) expõem a 
9898 
busca por diferentes métodos de síntese de nanopartículas magnéticas. 
O foco dessas pesquisas é desenvolver métodos que permitam um 
controle maior sobre as propriedades finais da nanopartícula. Segundo 
Beck Júnior (2016), os métodos mais comuns são:
• Coprecipitação.
• Sistemas micelares ou microemulsões.
• Síntese hidrotérmica.
• Pirólise à laser.
• Decomposição/redução térmica.
O Quadro 1 mostra as peculiaridades de cada método de síntese de 
nanopartículas.
Quadro 1 – Resumo comparativo de quatro diferentes 
métodos de síntese de nanopartículas 
Método Síntese
Tempe-
ratura 
Reação (ºC)
Tempo 
de Reação Solvente
Agentes de 
Superfície
Distribuição 
de tamanho
Controle 
de 
forma
Co-
precipitação
Muito sim-
ples, condi-
ção ambiente
20-90 Minutos Água
Necessário 
durante ou 
após reação
Relativamen-
te estreira Ruim
Decomposi-
ção térmica
Complica-
do, atmos-
fera inerte
100-320 Horas/dias Orgânico
Necessário 
duran-
te a reação
Muito estreita Muito bom
Micro- 
emulsão
Complica-
do, condi-
ção ambiente
20-50 Orgânico/ água
Orgânico/ 
água
Necessário 
duran-
te a reação
Relativamen-
te estreita
Muito 
bom
Síntese 
hidrotérmica
Simples, al-
tas pressões 220
Água/ 
etanol Água-etanol
Necessário 
duran-
te a reação
Muito estreita Muito bom
Fonte: Beck Junior (2016, p. 23).
Dentre os métodos apresentados, dois se destacam: microemulsão e 
decomposição térmica. 
9999 99
3.1 Microemulsão 
Microemulsões são nanodispersões coloidais formadas por dois líquidos 
imiscíveis estabilizados pela ação de um surfactante que diminui a tensão 
superficial do sistema, geralmente água e óleo (BECK JUNIOR, 2016). 
Nas microemulsões, é possível a utilização de um co-surfactante, 
normalmente um álcool de cadeia curta, que atua promovendo uma 
maior estabilidade do sistema. Dependendo da razão entre água, óleo e 
surfactante, ocorre a solubilização de uma fase sobre a outra, na qual a 
fase dissolvida fica recoberta pelo filme surfactante (BECK JUNIOR, 2016).
As microemulsões são termodinamicamente estáveis e, 
macroscopicamente, podem apresentar-se como um meio líquido 
isotrópico. De acordo com o tipo da fase dispersa e do meio de 
dissolução, as microemulsões podem ser classificadas como direta 
(óleo em água), formada por uma fase apolar dissolvida em um meio 
de dissolução polar; inversa (água em óleo), em que a fase dispersa é 
polar e o meio de dissolução apolar; e bicontínua, na qual água e óleo 
encontram-se organizadas na forma de canais separados por um filme 
surfactante (BECK JUNIOR, 2016).
As dispersões de substâcias tensoativas possuem algumas propriedades 
características em pequenas contrações atuando como simples eletrólitos, 
mas quando utilizadas em uma faixa específica de concentração, sofrem 
consideráveis variações em suas propriedades físico-químicas, tais como: 
pressão osmótica, condutância, turbidez, tensão superficial ou medidas 
de espalhamento. Tais alterações podem ser explicadas em termos da 
formação de agregados organizados, conhecidos como micelas, as quais 
surgem acima de uma determinada concentração, chamada concetração 
micelar crítca (cmc) (BECK JUNIOR, 2016). 
Em pequenas concentrações, as moléculas do surfactante se encontram 
aleatoriamente dispersas por todo o sistema na forma de monômeros. 
100100 
Quando a cmc é atingida, esses monômeros passam a se organizar 
de modo a buscar um estado de menor energia, formando assim as 
micelas. Concentrações muito superiores à cmc resultam na perda da 
organização e as micelas são quebradas, conforme as Figuras 4 e 5 
(BECK JUNIOR, 2016).
Figura 4 – Tipos de microemulsão: (a) Direta; (b) Inversa
Fonte: adapatado de Taylor e Ferrari (2013).
Figura 5 – Comportamento dos surfactantes em solução 
(solvente com caráter apolar)
Fonte: Beck Junior (2016, p. 25).
Tanto as microemulsões quanto as soluções de substâncias tensoativas 
são exemplos de sistemas nanoheterogêneos por possuírem pequenos 
domínios separados em determinadas composições. Em síntense 
de nanopartículas, tais domínios podem atuar como nanorreatores, 
aprisionando as espécies precursoras das NP’s (nanopartículas) e 
disponibilizando um ambiente único para sua nucleação e crescimento. 
O acúmulo dessas espécies precursoras e o crescimento das 
nanopartículas no interior dos nanorreatores são limitados pelo espaço 
disponível, promovendo satisfatório controle sobre o tamanho e forma 
dessas nanopartículas (BECK JUNIOR, 2016).
101101 101
3.2 Decomposição térmica
Outros métodos utilizados para síntese de nanopartículas metálicas 
são os métodos químicos que envolvem decomposição térmica 
dos precursores organometálicos. Estes têm demonstrado grande 
eficiência quanto ao controle do tamanho, morfologia, arranjos 
bi e tridimensionais, composição, entre outras propriedades das 
nanopartículas obtidas. Em sua grande maioria, tais métodos consistem 
na utilização direta, ou com pequenas modificações, do método poliol. 
O método poliol foi relatado por Fievet et al. (1989) na síntese de 
micropartículas através da utilização de etilenoglicol na redução de 
íons metálicos em altas temperaturas. Entretanto, ficou amplamente 
conhecido após trabalhos realizados por Sun (2006) e colaboradores, 
nos quais o etilenoglicol foi substituído por alcanodiol de cadeia 
longa, sendo assim obtidas nanopartículas monodispersas. A Figura 
3.2.1 apresenta o método poliol sendo empregado na síntesede 
nanopartículas (BECK JUNIOR, 2016).
Figura 6 – Ilustração da síntese de nanopartículas bimetálicas 
de FePt via método poliol
Fonte: Sun (2006, p. 395).
O tamanho das partículas pode ser controlado pelo ajuste da razão 
molar entre os estabilizadores e o precursor e pelo controle da taxa de 
aquecimento e temperatura de refluxo. Atualmente diversas variantes 
do método poliol são empregadas, nas quais a principal modificação é 
a substituição dos precursores metálicos carbonílicos, por precursores 
102102 
de menor toxicidade, tais como acetatos e acetilacetonatos. Além 
da toxicidade, outro problema associado à utilização de compostos 
carbonílicos em sínteses de decomposição térmica é a alta volatilidade 
desses compostos, o que faz com que parte do reagente adicionado 
à síntese acabe por não participar da reação, dificultando assim o 
controle sobre a composição das partículas. Neste ponto reside a 
maior vantagem da utilização de sais acetatos e acetilacetonatos como 
precursores metálicos, uma vez que, por apresentarem volatilidade 
desprezível, o controle sobre a composição do produto é amplamente 
facilitado (BECK JUNIOR, 2016).
PARA SABER MAIS
As nanopartículas magnéticas podem ser utilizadas 
em diversos ramos da tecnologia e também na 
área médica, na forma de biossensores e no 
desenvolvimento de novos medicamentos. 
Para conhecer mais métodos de síntese utilzados 
para o desenvolvimento de nanomateriais 
magnéticos, leia o artigo Nanopartículas magnéticas: 
o cobalto, publicado por Sargentelli e Ferreira (2010).
O processo utilizado para a síntese do nanomaterial impacta 
diretamente na morfologia e consequentemente no desempenho 
dele. Sendo assim, é essencial relembrar que as pesquisas dedicadas à 
investigação da capacidade de fabricação, organização e adaptação de 
materiais à nanoescala encontram-se em constante desenvolvimento. 
Por isso, essa classe de materiais traz tanto interesse, devido a esse 
universo inteiro que pode ser explorado desenvolvendo assim, materiais 
para aplicações e solicitações ainda desconhecidas.
103103 103
TEORIA EM PRÁTICA 
Suponha que você foi contratado para sintetizar uma 
nanopartícula metálica magnética, por meio de um 
método que ofereça um excelente controle de forma 
(morfologia). Além disso, devido ao setup do experimento, 
o processo de síntese não pode ultrapassar um limite de 
temperatura fixado em 100 ºC.
Sobre essa demanda, responda qual é o método de 
síntese mais indicado? Justifique! 
VERIFICAÇÃO DE LEITURA
1. A busca por diferentes métodos de síntese de 
nanopartículas magnéticas. O foco dessas pesquisas 
é desenvolver métodos que permitam um controle 
maior sobre as propriedades finais da nanopartícula 
(BECK JUNIOR, 2016). 
Assinale a alternativa que apresenta corretamente 
dois métodos utilizados para síntese de materiais 
nanopartículados: 
a. Decomposição térmica e fotossíntese.
b. Contração e microemulsão.
c. Solidificação e contração.
d. Microemulsão e decomposição térmica.
e. Fotossíntese e fusão térmica.
104104 
2. A síntese eletroquímica pode empregar várias técnicas 
experimentais, porém utiliza os mesmos fundamentos 
teóricos clássicos relacionados com reações em 
eletrodos condutores imersos em solução contendo 
íons (RÓZ et al., 2015).
Sobre o tema, assinale a alternativa que apresenta 
corretamente os três tipos de eletrodos utilizados na 
síntese eletroquímica padrão:
a. Referência, sacrifício e trabalho.
b. Trabalho, referência e auxiliar.
c. Sacrifício, auxiliar e referência.
d. Trabalho, síntese, cátado.
e. Ânodo, sacrifício, trabalho.
3. Para se controlar o processo de preparação 
de eletrodepósitos com dimensões na escala 
nanométrica é necessário um conhecimento dos 
processos de nucleação, crescimento dos filmes 
e cinética das reações eletroquímicas. A reação 
eletroquímica pode ser controlada por quatro tipos 
de mecanismos (RÓZ et al., 2015), sendo eles:
 __________: envolve a transferência de portadores 
de carga, tais como íons e elétrons, através da dupla 
camada elétrica.
 __________: as espécies consumidas ou formadas durante 
as reações são transportadas da solução até a interface 
do substrato e vice-versa. 
105105 105
__________: correspondem às reações homogêneas em 
solução ou heterogêneas na superfície do eletrodo e 
não envolvem transferência de carga, não sendo então 
afetadas pelo potencial aplicado.
 __________: átomos são incorporados ou removidos da 
rede cristalina do metal que está sendo formado.
Assinale a alternativa que completa, corretamente, as 
lacunas acima. 
a. Difusão; Reação química; Cristalização; Reação de 
transferência de carga.
b. Cristalização; Difusão; Reação química; Reação de 
transferência de carga.
c. Reação química; Cristalização; Reação de 
transferência de carga; Difusão.
d. Difusão; Reação de transferência de carga; 
Cristalização; Reação química.
e. Reação de transferência de carga; Difusão; 
Reação química; Cristalização.
Referências bibliográficas
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superparamagnéticos do tipo core-shell para aplicação em catálise e 
biomedicina. 2016. 147 f. Tese (Doutorado) – Curso de Química, Universidade de 
São Paulo – USP, São Carlos, 2016.
BRECHIGNAC, C. et al. Nanomaterials and nanochemistry. France: Springer, 2006.
EFTEKHARI, Ali. Nanostructured materials in electrochemistry. Weinheim: Wiley-
vch Verlag Gmbh & Co. Kgaa, 2008.
106106 
FIEVET, F et al. Homogeneous and heterogeneous nucleations in the polyol 
process for the preparation of micron and submicron size metal particles. Solid 
State Ionics, [s.l.], v. 32-33, p. 198-205, fev. 1989. Elsevier BV. http://dx.doi.
org/10.1016/0167-2738(89)90222-1. 
GECKELER, Kurt E.; NISHIDE, Hiroyuki. Advanced nanomaterials. Oryong-dong, 
Buk-gu Gwangju: Wiley-vch Verlag Gmbh & Co., 2010. 
GOGOTSI, Yury. Nanomaterials handbook. Boca Raton, London, New York: Taylor 
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RÓZ, Alessandra Luzia da et al. Nanoestruturas: coleção nanociência e 
nanotecnologia: princípios e aplicações. Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. 278 p.
SARGENTELLI, Vagner; FERREIRA, Antonio P. Nanopartículas magnéticas: o 
cobalto. Eclética Química, [s.l.], v. 35, n. 4, p. 153-163, 2010. FapUNIFESP (SciELO). 
http://dx.doi.org/10.1590/s0100-46702010000400020.
SENGUPTA, Amretashis; SARKAR, Chandan Kumar. Introduction to Nano: basics 
to nanoscience and nanotechnology. Berlin: Springer-verlag Berlin Heidelberg, 
2015. 226 p.
SUN, S. Recent advances in chemical synthesis, self-assembly, and applications of 
fept nanoparticles. Advanced Materials, v. 18, n. 4, p. 393-403, 2006.
TAYLOR, Jason G.; FERRARI, Jailton. Aqueous microemulsions as efficient and 
versatile media for transition-metal-catalyzed reactions. Australian Journal Of 
Chemistry, [s.l.], v. 66, n. 4, p. 470-480, 2013. CSIRO Publishing. http://dx.doi.
org/10.1071/ch12492.
VOLLATH, Dieter. Nanomaterials: an introduction to synthesis, properties and 
applications. Weinheim: Wiley-vch Verlag Gmbh & Co. Kgaa, Boschstr, 2013.
Gabarito
Questão 1 – Resposta: D
Resolução: Apenas a letra D apresenta dois métodos que, segundo 
a referência (BECK JUNIOR, 2016, p .23), são utilizados para síntese 
de nanomateriais. Já os demais métodos (fotossíntese, contração, 
fusão térmica e solidificação), apesar de se tratarem de conceitos 
existentes na literatura, não se aplicam especificamente à síntese 
de nanomateriais. 
Questão 2 – Resposta: B
Resolução: Em um experimento padrão, três tipos de eletrodos 
podem ser utilizados: 
http://dx.doi.org/10.1016/0167-2738(89)90222-1
http://dx.doi.org/10.1016/0167-2738(89)90222-1
http://dx.doi.org/10.1590/s0100-46702010000400020
http://dx.doi.org/10.1071/ch12492
http://dx.doi.org/10.1071/ch12492
107107 107
Eletrodo de Trabalho: o eletrodo de trabalho é o substrato condutor 
onde ocorre a reação eletroquímica (RÓZ et al., 2015).
Eletrodo de Referência: eletrodo que possui potencial conhecido e 
constante em relação ao eletrodo-padrãode hidrogênio dentro da 
faixa de potenciais conhecidos (RÓZ et al., 2015).
Eletrodo Auxiliar: um eletrodo auxiliar ou contraeletrodo é 
necessário para o fluxo de corrente elétrica e de íons de forma a 
fechar o circuito elétrico do sistema (RÓZ et al., 2015). 
Questão 3 – Resposta: E
Resolução: A reação eletroquímica pode ser controlada por quatro 
tipos de mecanismos (RÓZ et al., 2015): 
• Reação de transferência de carga: transferência de íons e 
elétrons, através da dupla camada elétrica.
• Difusão: as espécies consumidas ou formadas durante as 
reações são transportadas da solução até a interface do 
substrato e vice-versa.
• Reação química: correspondem às reações homogêneas em 
solução ou heterogêneas na superfície do eletrodo e não 
envolvem transferência de carga, não sendo então afetadas pelo 
potencial aplicado.
• Cristalização: átomos são incorporados ou removidos da rede 
cristalina do metal que está sendo formado.
108108 
Filmes nanoestruturados, 
nanocompósitos de matriz 
polimérica e argila lamelar 
Autor: Rafael Misael Vedovatte
Objetivos
• Conhecer como são obtidos os filmes 
nanoestruturados.
• Compreender os diferentes mecanismos 
de nucleação e crescimento de filmes 
nanoestruturados.
• Apresentar os conceitos associados aos 
nanocompósitos de matriz polimérica e 
argila lamelar.
109109 109
1. Filmes nanoestruturados
Filmes nanoestruturados têm recebido muito destaque como tema de 
pesquisa. Isso se deve especialmente pelo desenvolvimento de métodos 
de deposição, o que tornou possível controlar, com mais rigor, as 
características dos filmes fabricados (CAO, 2004). Filmes com morfologia, 
rugosidade e espessuras controladas permitiram o emprego desses, 
por exemplo, em dispositivos fotovoltaicos; em que, a resposta elétrica 
do dispositivo, em termos de eficiência de conversão de energia, está 
relacionada com o tamanho e com a homogeneidade dos grãos que 
formam o filme nanoestruturado.
Controlar a espessura e a morfologia do filme, por meio do método 
de deposição, é um procedimento muito utilizado em nanociência e 
nanotecnologia, pois permite fabricar os filmes de acordo com a área 
de aplicação: biotecnologia, eletrônica, medicina, entre outras. Este 
fato confere aos filmes nanoestruturados uma posição de destaque no 
desenvolvimento tecnológico (RÓZ et al., 2015).
Além da reconhecida importância tecnológica de filmes ultrafinos, 
existe ainda um grande interesse científico nas questões fundamentais 
envolvidas na formação destes, devido à grande variedade de arquiteturas 
e materiais existentes atualmente. (RÓZ et al., 2015, p. 39)
Sendo assim, é importante discutir com mais detalhes o processo de 
formação dos filmes nanoestruturados por meio do método de deposição 
atrelado aos fenômenos de nucleação e crescimento. A Figura 1, mostra 
exemplos de diferentes morfologias obtidas para um filme de Iodeto de 
Chumbo Metilamino (CH3NH3PbI3) aplicados em dispositivos fotovoltaicos, 
obtidas pela variação de parâmetros de deposição.
110110 
Figura 1 – Exemplo de morfologias de filmes de 
Iodeto de Chumbo Metilamino (CH3NH3PbI3), preparadas por 
modificações nos parâmetros instrumentais
Fonte: Petrus et al. (2017, p. 8). 
1.1 Fenômenos de nucleação e crescimento 
O crescimento de filmes finos envolve os processos de nucleação e 
crescimento em um substrato. Para deposições com espessuras em 
escala nanométrica, o controle da nucleação é fundamental para obter a 
morfologia final desejada (CAO, 2004).
Na prática, a interação entre o filme e o substrato desempenha um 
papel muito importante na determinação da nucleação inicial e do 
crescimento do filme (CAO, 2004). 
Na Figura 2 são demonstrados os três modos básicos de nucleação, 
o crescimento do tipo ilha, crescimento camada ou crescimento 
ilha-camada:
111111 111
Figura 2 – Modos básicos de nucleação inicial no crescimento do filme
Fonte: adaptada de Cao (2004). 
• O crescimento do tipo ilha ocorre quando as espécies em 
crescimento possuem mais interação umas às outras do que ao 
substrato. Esse exemplo de crescimento pode ser observado 
em muitos sistemas metálicos em substratos isolantes, haletos 
alcalinos, grafite e substratos de mica, nos quais se observa 
este tipo de nucleação durante o depósito inicial do filme. 
O crescimento subsequente faz com que as ilhas se aglutinem 
para formar um filme (CAO, 2004). 
• O crescimento camada é o oposto do crescimento ilha, no qual 
o crescimento das espécies está mais fortemente ligado ao 
substrato do que entre si. Neste modelo a camada subsequente 
só pode ser formada após a total formação da camada anterior. 
O exemplo mais importante do modo de crescimento camada é o 
crescimento epitaxial de filmes de cristal único (CAO, 2004). 
• O crescimento ilha-camada é uma combinação intermediária do 
crescimento camada e crescimento ilha (CAO, 2004).
Independentemente do método de crescimento, deve-se atentar para 
alguns fatores fundamentais associados ao tipo de filme que se deseja 
fabricar (cristal único, amorfo ou policristalino) (CAO, 2004).
112112 
O crescimento de filmes de cristal único é mais difícil e requer um único 
substrato de cristal com uma correspondência próxima da estrutura, 
um substrato com superfície limpa, a fim de evitar possíveis nucleações 
secundárias, alta temperatura de crescimento, de modo a garantir 
uma mobilidade suficiente do crescimento e baixa taxa de impacto 
das espécies em crescimento, a fim de garantir tempo suficiente para 
difusão da superfície e incorporação de crescimento de espécies na 
estrutura cristalina (CAO, 2004).
A deposição de filmes amorfos ocorre tipicamente quando se aplica uma 
baixa temperatura de crescimento e/ou quando o influxo de espécies 
em crescimento na superfície de crescimento é muito alta, assim, as 
espécies em crescimento não têm o tempo suficiente para encontrar os 
locais de crescimento com a menor energia (CAO, 2004).
As condições para o crescimento de filmes policristalinos caem 
entre as condições de crescimento de cristal único e filme amorfo 
por deposição. Em geral, a temperatura de deposição é moderada, 
garantindo uma mobilidade superficial razoável das espécies em 
crescimento (CAO, 2004).
Com base nas informações discutidas até agora, é possível compreender 
dois métodos de deposição que, segundo Róz et al. (2015), se destacam 
pelo controle molecular da espessura e morfologia dos filmes, os 
métodos Layer-by-Layer (LbL) e Langmuir-Blodgett (LB).
1.2 Método Layer-by-Layer (LbL)
A técnica layer-by-layer (camada por camada) é um procedimento muito 
utilizado para obtenção de filmes nanoestruturados que permite, com 
elevado controle de espessura, depositar camadas subsequentes de 
diferentes materiais como polímeros, nanopartículas, enzimas, células 
etc. A produção de filmes ultrafinos através do método LbL permite 
a obtenção de nanoestruturas utilizáveis em diferentes aplicações, 
113113 113
como em dispositivos ópticos, eletrônicos, sensores, em biotecnologia, 
entre muitas outras (RÓZ et al., 2015). Um exemplo de processo de 
deposição LbL pode ser observado na Figura 3, onde a deposição 
ocorre por imersão. 
Figura 3 – Ilustração do processo de deposição 
e formação de um filme por LbL (esquerda) – Imersão do substrato 
(vidro) em solução precursora de um filme nanoestruturado (direita). 
A seta indica o sentido do movimento para imersão
Fontes: Róz et al. (2015) e Vedovatte (2018). 
Neste processo, o substrato é imerso em uma solução contendo 
espécies carregadas, por exemplo, poliânions (etapa A). Durante 
essa etapa, o polieletrólito aniônico é adsorvido sobre a superfície do 
substrato, tornando negativa a rede de cargas da superfície. Na etapa 
B, o substrato é imerso em uma solução de enxágue para a remoção 
do material fracamente adsorvido no substrato, a fim de evitar a 
contaminação da próxima solução. Na sequência, o substrato é colocado 
na solução contendo o policátion, que por sua vez gerará uma nova rede 
de cargasna superfície, agora positiva (etapa C). Por fim, o substrato é 
novamente imerso em uma solução de enxágue (etapa D). Ao final deste 
procedimento tem-se uma bicamada dos materiais utilizados, nesse 
caso, de polieletrólitos. Este ciclo pode ser repetido por várias vezes, 
possibilitando a obtenção de filmes multicamadas com estruturas e 
espessuras controladas (RÓZ et al., 2015).
114114 
1.2.1 Método LbL por spray e rotação
Além do método convencional de imersão, outros procedimentos de 
fabricação são frequentemente encontrados na literatura, como o 
método via casting (gotejamento), rolo por rolo (R2R), spin-assisted e 
spray. No spin-assisted LbL, os materiais de interesse são adicionados 
alternadamente sobre o substrato, que é submetido a uma dada rotação 
em um equipamento conhecido como spin-coated, enquanto no spray 
LbL o material é atomizado em pequenas partículas líquidas sobre a 
superfície do substrato (RÓZ et al., 2015).
Figura 4 – Ilustração dos processos de deposição 
spin-assisted por (a) spray e (b) LbL
(a)
(b)
Fonte: Róz et al. (2015). 
Essas variações da técnica podem exibir vantagens e desvantagens em 
relação ao método convencional que, dependendo das características 
do filme e da aplicação desejada, tornam suas escolhas mais ou menos 
apropriadas. Os métodos spin-assisted LbL e spray LbL são mais rápidos 
que o método convencional, principalmente na produção de filmes com 
espessuras, uma vez que não dependem da cinética de difusão das 
115115 115
espécies no meio líquido, além de consumirem menores quantidades de 
concentração dos reagentes (RÓZ et al., 2015). 
Entretanto, o método spin-assisted LbL, por exemplo, tem seu uso 
limitado a substratos planos e exibe baixa uniformidade na produção de 
filmes em substratos de grande área, situações em que o procedimento 
por spray é mais apropriado. Filmes produzidos por spin-assisted LbL são 
geralmente pouco rugosos devido à diminuição da interpenetração das 
cadeias, por exemplo, no caso de polieletrólitos, enquanto pelo método 
spray os filmes produzidos possuem características muito próximas aos 
preparados pelo método convencional (RÓZ et al., 2015).
1.3 Método Langmuir-Blodgett (LB)
As monocamadas de Langmuir e filmes LB são obtidos a partir do 
espalhamento na interface ar-água de um volume conhecido de uma 
determinada solução, geralmente de um composto solúvel em um 
solvente orgânico ou em uma mistura de solventes. Durante a fabricação 
do filme, o solvente evapora após alguns minutos e as moléculas são, 
então, comprimidas até atingir máximo ordenamento. A Figura 5 mostra 
o dispositivo utilizado para essa operação (RÓZ et al., 2015).
Figura 5 – Representação – Cuba Langmuir
Fonte: Róz et al. (2015, p. 126).
116116 
Segundo Róz et al. (2015), os materiais empregados na técnica de 
Langmuir eram, inicialmente, compostos anfifílicos, ou seja, moléculas 
contendo uma cabeça polar (hidrofílica) e cauda apolar (hidrofóbica) 
e insolúveis em solventes polares. Assim, as moléculas se organizam 
de maneira que a parte polar se orienta para água e a parte apolar 
para o ar. A parte hidrofóbica da molécula, formada de cadeias 
apolares, favorece a diminuição da solubilidade da cadeia na subfase 
aquosa. Já a parte hidrofílica, por outro lado, é a responsável pelo 
espalhamento devido à sua maior interação com as moléculas de água. 
O comportamento observado nos contatos da cadeia com a água visa 
minimizar a energia livre do sistema.
Nesta técnica, as moléculas encontram-se em um estágio inicial análogo 
à fase gasosa, nas quais estão dispersas e não interagem entre si. 
À medida que as moléculas são comprimidas, ocorre a formação de um 
estágio denominado líquido-expandido, devido à aproximação entre 
elas. Quando a densidade superficial das moléculas aumenta, ocorre a 
formação de arranjos regulares no filme formado, resultando em uma 
estrutura compacta chamada de fase líquido-condensada. A Figura 6 traz 
o esquemático do processo em questão (RÓZ et al., 2015).
Figura 6 – Isoterma de Langmuir (ácido esteárico)
Fonte: Róz et al. (2015, p. 127).
117117 117
O uso, entretanto, de filmes LB, seria muito restrito se as moléculas 
utilizadas fossem apenas anfifílicas tradicionais, já que estas possuem 
propriedades limitadas. Na busca de novas aplicações tecnológicas, 
uma série de materiais passou então a ser utilizada, como polímeros, 
fosfolipídios, enzimas, peptídeos, dentre outros (RÓZ et al., 2015). 
A organização, homogeneidade e outras características de filmes 
de Langmuir e LB podem ser verificadas experimentalmente por 
diversas técnicas como difração de raios X (DRX), microscopia de 
ângulo de Brewster (Brewster Angle Microscopy) (BAM), espectroscopia 
de infravermelho por reflexão e absorção com polarização modulada 
(Polarization Modulation Infrared Reflection Adsorption Spectroscopy – 
PM-IRRAS), microscopia de força atômica (Atomic Force Microscopy – 
AFM), dentre outras (RÓZ et al., 2015).
2. Nanocompósitos de matriz polimérica e 
argila lamelar
Um compósito é um material com mais de um componente, porém 
de origem distinta, no qual aproveita-se as melhores propriedades 
de cada componente para fabricar um material superior. Estes 
componentes são escolhidos com o intuito de obter compósitos com 
propriedades físicas e mecânicas características, e estas propriedades 
são geralmente melhores que as propriedades que os componentes 
possuem individualmente. Entre as propriedades que podem ser 
aprimoradas, destacam-se o módulo elasticidade, tenacidade à fratura, 
propriedades de barreira, retardador de chama, condutividade elétrica, 
entre outras (ADVANI, 2007).
Devido ao grande interesse e demanda pela indústria aeroespacial e 
aeronáutica pelos materiais compósitos, tanto em macro quanto em 
microescala, muitas pesquisas foram conduzidas, e a otimização do 
desempenho desses materiais alcançou um limite de desenvolvimento 
118118 
associado com as propriedades finais obtidas sem o emprego da 
nanotecnologia. Mas, em nanoescala, onde os componentes dos 
compósitos apresentam pelo menos uma dimensão menor que 100 nm, 
é possível elevar ainda mais esse limite? A resposta é SIM! Por meio do 
desenvolvimento dos nanocompósitos, onde será dado enfoque aos de 
matriz polimérica com argila lamelar (ADVANI, 2007).
Em geral, três características principais definem e formam a base do 
desempenho de nanocompósitos poliméricos (ADVANI, 2007): 
• O confinamento das cadeias da matriz polímerica, em nanoescala. 
• A presença de nanocomponentes inorgânicos. 
• Arranjo tridimensional, em nanoescala, desses componentes. 
A completa exploração destas características facilita o aprimoramento 
das propriedades dos nanocompósitos (ADVANI, 2007).
Entre os vastos nano-reforços disponíveis para fabricação de 
nanocompósitos poliméricos, pode-se destacar a argila, composta 
por minerais naturais que se encontram amplamente disponíveis 
comercialmente, exibe uma morfologia em camadas com elevadas 
áreas de superfície e substanciais capacidades de troca de cátions 
composta por filossilicatos. Estes possuem como estrutura principal 
uma camada 2D contínua de tetraedros compostos por átomos de 
oxigênio coordenado ao silício e às vezes átomos de alumínio ou ferro. 
Esta estrutura tetraédrica está ligada a uma camada com coordenação 
octaédrica na qual oxigênios ou hidroxilas (OH) coordenam cátions de 
Al3+, Mg2+, Fe3+, Fe2+ ou Li+ (BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006).
Se observarmos a estrutura das argilas, verifica-se uma estrutura 
formada pela ligação de uma camada octaédrica com uma camada 
tetraédrica, chamada de estrutura 1:1, Figura 7. Se nesta estrutura 
for adicionada mais uma camada tertraédrica à camada octaédrica, 
obteremos a estrutura 2:1 (BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006).
119119 119
Figura 7 – Estruturas encontradas nos filossilicatos (argilas): 
(a) 1:1 e (b) 2:1
(a)
(b)
Fonte: PUC-RIO (2019, p. 14).
As estruturas 1:1 e 2:1 não são necessariamente neutras, devido 
a substituiçõesiônicas na estrutura do cristal que geram um 
desbalanceamento de cargas positivas, o que consequentemente 
reflete uma carga negativa. A neutralidade elétrica é então mantida por 
espécies presentes entre as camadas, que podem ser cátions anidros 
como K+, cátions hidratados ou uma camada contínua de hidróxidos 
como observado nos cloretos (BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006). 
O tipo de camadas, sua carga elétrica e a natureza das espécies do 
interlayer podem ser utilizadas para classificar os diferentes tipos de 
argila. Cada família possui estruturas, morfologias e características 
específicas que interferem na capacidade de nano-reforço dentro dos 
nanocompositos poliméricos. Por isso a importância de conhecer cada 
um desses nano-reforços (BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006): 
120120 
Figura 8 – Exemplos de Nano-reforços que 
podem ser utilizados em nanocompósitos poliméricos
Fonte: elaborada pelo autor.
2.1 Caulinita
A caulinita, Figura 9, é uma argila típica 1:1, com carga total igual a zero, 
constituída por camadas de tetraedros e octaedros, onde o silício é o 
elemento central presente nos tetraedros. Os cristalitos resultantes 
dessas camadas são placas rígidas com extensões laterais típicas 
de algumas centenas de nanômetros, e espessura de dezenas de 
nanômetros (BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006).
Figura 9 – Caulinita
Fonte: jxfzsy/iStock.com. 
Apesar da ausência de uma carga, o equilíbrio ácido-base dos grupos −
OH presentes nas superfícies laterais das placas conferem uma pequena 
carga elétrica às partículas de caulinita que dependem do pH do meio 
(BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006):
121121 121
• Positivo em meio ácido, quando esses grupos têm a forma −OH2
+ .
• Negativo em um meio alcalino, quando eles têm a forma −O−. 
A caulinita não é um nano-reforço genuíno. As espessuras das placas 
estão tipicamente na faixa de 50 a 100 nm e uma área superficial 
é da ordem de 10 a 20 m2/g. No entanto, ainda é muito um reforço 
finamente dividido, com um alto fator de forma (BRECHIGNAC; 
HOUDY; LAHMANI, 2006).
2.2 Esmectita
Esmectitas têm praticamente as propriedades opostas às observadas 
nas caulinitas. Possuem uma carga elétrica significativa na estrutura 2:1. 
Esta é equilibrada por cátions presentes na camada intermediária que, 
em esmectitas naturais, geralmente são íons cálcio, magnésio ou sódio 
(BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006).
A grande energia de hidratação desses íons permite que a água penetre 
entre as camadas, causando inchaço intracristalino, e isso facilita 
a troca com outros cátions metálicos ou orgânicos (BRECHIGNAC; 
HOUDY; LAHMANI, 2006).
Cada camada 2:1 tem uma extensão lateral extremamente grande 
em comparação com esta espessura. Isoladamente, as camadas são 
extremamente flexíveis, embora essa flexibilidade diminua quando elas 
são conectadas por cátions presentes entre as camadas (BRECHIGNAC; 
HOUDY; LAHMANI, 2006). Os representantes mais comuns da família 
esmectita são os montmorilonitas, que têm o nome comercial de 
bentonita, Figura 10, para um certo nível mínimo de pureza, e a 
hectorita, sinteticamente produzida e conhecida comercialmente como 
Laponita (BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006).
122122 
Figura 10 – Bentonita
Fonte: zoomstudio/iStock.com. 
2.3 Argilas fibrosas
As argilas fibrosas, Figura 11, formam um terceiro grupo importante. 
Estas são fabricadas a partir de estruturas 2:1, mas com extensões 
laterais de apenas alguns tetraedros e octaedros. Isso significa que as 
camadas são mais parecidas com fitas com seção transversal retangular 
que se associam umas às outras para formar fibras nanoporosas 
(BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006). 
Figura 11 – Imagem por microscopia eletrônica 
de transmissão de uma argila fibrosa (sepiolita)
Fonte: Brechignac, Houdy e Lahmani (2006, p. 362). 
123123 123
Uma sepiolita típica possui fibras de 2 a 3 µm de comprimento e 
diâmetro de 50 nm. As folhas 1:1 também podem formar nano-
objetos. Por exemplo, os nanotubos de silicato com diâmetro de 2 nm 
e comprimentos micrométricos. Este é o caso da imogolita, comum em 
solos vulcânicos (BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006).
Argilas naturais ou sintéticas são hidrofílicas. Portanto, para sua 
utilização em nanocompósitos, deve-se submeter o componente a 
um tratamento de superfície que os torne compatíveis com a matriz 
(BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006).
O método mais comum para esse fim é a troca de cátions, íons 
alquilamónio, com um cátion orgânico anfifílico. Isso torna a superfície 
da argila menos polar à medida que a cadeia alquílica é mais longa. Em 
altas densidades de carga, as cadeias adotam uma organização do tipo 
parafina (BRECHIGNAC; HOUDY; LAHMANI, 2006; BEALL; POWELL, 2011).
Em resumo, nos nanocompósitos polímero-argila, para alcançar o 
máximo em alguma propriedade, é necessário buscar uma máxima 
interação interfacial entre a nanopartícula e a matriz polimérica. Para 
produzir sistemas otimamente esfoliados, é necessário que métodos 
diretos estejam disponíveis para medir o nível de esfoliação (BEALL; 
POWELL, 2011).
O método analítico ideal deve ser rápido, não destrutivo, aplicável 
para muitas matrizes de amostras, de baixo custo, e deve exigir uma 
amostra mínima de preparação. Métodos analíticos para confirmar o 
nível de esfoliação incluem microscopia eletrônica de varredura (SEM), 
microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microscopia de força 
atômica (AFM) (BEALL; POWELL, 2011). 
Existem também vários métodos indiretos para medir o nível de 
esfoliação, mas todos eles exigem um método direto com o qual se 
padronizam (BEALL; POWELL, 2011). 
124124 
PARA SABER MAIS
Para saber mais sobre as aplicações de 
nanocompósitos poliméricos e argila lamelar leia o 
artigo Panorama da Pesquisa Acadêmica Brasileira em 
Nanocompósitos Polímero/Argila e Tendências para o 
Futuro (ANADÃO et al., 2011) .
As propriedades únicas de filmes nanoestruturados envolvendo os 
mais variados tipos de materiais, aliadas à versatilidade dos métodos 
LB e LbL, são atualmente alguns dos responsáveis por fazerem da 
nanotecnologia uma realidade. Os métodos LB e LbL têm permitido 
investigar características dos materiais nunca antes exploradas 
nas mais diversas arquiteturas e aplicações tecnológicas, desde a 
eletrônica à medicina. É importante ressaltar que cada método possui 
suas peculiaridades e limitações, acabando por serem tecnicamente 
complementares. A área de fabricação de filmes ultrafinos é um 
campo aberto e aquecido com diversas possibilidades ainda a serem 
exploradas (RÓZ et al., 2015).
Já os nanocompósitos de matriz polimérica e argila lamelar, 
apresentam como principal destaque a enorme área de interface e o 
confinamento interpartículas gerado pela dispersão de nanopartículas 
na matriz polimérica. Este fato altera consideravelmente as 
propriedades da peça, ou mesmo todo o polímero através de efeitos 
de interface. Sendo assim, quando se deparar com um nanocompósito, 
deve-se observá-lo não mais como uma mistura simples, mas sim como 
um compósito, cujas propriedades podem ser descritas como uma 
relação entre os seus constituintes, comportanto-se como um novo 
material (BEALL; POWELL, 2011).
125125 125
TEORIA EM PRÁTICA 
Controlar a espessura e a morfologia do filme, por meio do 
método de deposição, é um procedimento muito utilizado 
em nanociência e nanotecnologia. Pois, permite fabricar os 
filmes de acordo com a área de aplicação: biotecnologia, 
eletrônica, medicina, entre outras. Este fato confere aos 
filmes nanoestruturados uma posição de destaque no 
desenvolvimento tecnológico (RÓZ et al., 2015). 
Sobre essa temática, descreva três exemplos, 
demonstrando a forma como os nanofilmes ou 
filmes nanoestruturados são aplicados nas diferentes 
áreas do conhecimento.
VERIFICAÇÃO DE LEITURA
1. Assinale a alternativa que completa corretamente o 
trecho a seguir: 
O crescimento de filmes finos, como toda transformação 
de fase, envolve os processos de __________ e __________ 
no substrato ou superfíciesde crescimento. Para 
deposições com espessuras na escala nanométrica, o 
processo inicial de formação é fundamental (CAO, 2004). 
a. Crescimento; Expansão.
b. Expansão; Adesão.
c. Adesão; Nucleação.
126126 
d. Nucleação; Crescimento.
e. Adesão; Decomposição.
2. Assinale a alternativa que apresenta corretamente o 
conceito definido a seguir: 
É um material com mais de um componente, porém 
de origem distinta, no qual aproveita-se as melhores 
propriedades de cada componente para fabricar um 
material superior. Estes componentes são escolhidos 
com o intuito de obter propriedades físicas e mecânicas 
características, sendo que estas propriedades são 
geralmente melhores que as propriedades que os 
componentes possuem individualmente.
a. Metais.
b. Compósitos.
c. Cerâmicas.
d. Gases.
e. Fluidos.
3. Filmes anoestruturados têm recebido muito destaque 
como tema de pesquisa. Isso se deve especialmente 
pelo desenvolvimento de métodos de deposição, em 
que se tornou possível controlar, com mais rigor, as 
características dos filmes fabricados (CAO, 2004). 
Sobre os processos de deposição de filmes 
nanoestruturados, assinale a alternativa que 
apresenta, corretamente, o nome do processo 
demonstrado a seguir:
127127 127
Fonte: Róz et al. (2015).
a. Mergulho LbL.
b. Spray LB.
c. Spin-assisted LbL.
d. Spray LbL.
e. Spin-assisted LB.
Referências bibliográficas
ADVANI, Suresh G. Processing and properties of nanocomposites. University of 
Delaware, Usa: World Scientific, 2007.
ANADÃO, Priscila; WIEBECK, Hélio; VALENZUELA-DÍAZ, Francisco R. Panorama da 
Pesquisa Acadêmica Brasileira em Nanocompósitos Polímero/Argila e Tendências 
para o Futuro. Polímeros, [s.l.], v. 21, n. 5, p. 443-452, 1 dez. 2011. FapUNIFESP 
(SciELO). http://dx.doi.org/10.1590/s0104-14282011005000069.
BEALL, Gary W.; POWELL, Clois E. Fundamentals of polymer– clay 
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BRECHIGNAC, Catherine; HOUDY, Philippe; LAHMANI, Marcel. Nanomaterials and 
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CAO, Guozhong. Nanostructures & nanomaterials: synthesis, properties and 
applications. London: Imperial College Press, 2004.
http://dx.doi.org/10.1590/s0104-14282011005000069
128128 
PETRUS, Michiel L. et al. Capturing the sun: a review of the challenges and 
perspectives of perovskite solar cells. Advanced Energy Materials, [s.l.], v. 7, n. 16, 
p. 1700264-1700274, 28 jun. 2017. Wiley. http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201700264.
PUC-RIO, Departamento de Engenharia Civil. Argilominerais – propriedades 
e aplicações: classificação estrutural dos argilominerais. Disponível em: 
https://ecivilufes.files.wordpress.com/2011/08/argilominerais-propriedades-e-
aplicac3a7c3b5es.pdf. Acesso em: 22 set. 2019.
RÓZ, Alessandra Luzia da et al. Nanoestruturas: coleção nanociência e 
nanotecnologia: princípios e aplicações. Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. 278 p.
SENGUPTA, Amretashis; SARKAR, Chandan Kumar. Introduction to nano: basics 
to nanoscience and nanotechnology. Berlin: Springer-verlag Berlin Heidelberg, 
2015. 226 p.
VEDOVATTE, Rafael Misael. Estudo de filmes finos para aplicação em dispositivos 
fotovoltaicos. 2018. 72 f. Dissertação (Mestrado) – Programa de Pós-graduação em 
Engenharia e Ciência dos Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 
Londrina, 2018.
Gabarito
Questão 1 – Resposta: D
Resolução: O crescimento de filmes finos, como toda 
transformação de fase, envolve os processos de nucleação e 
crescimento no substrato ou superfícies de crescimento. Para 
deposições com espessuras na escala nanométrica, o processo 
inicial de nucleação é fundamental (CAO, 2004).
Questão 2 – Resposta: B
Resolução: Os compósitos são uma classe de materiais 
desenvolvidos a partir de diferentes componentes que apresentam 
entre si propriedades sinérgicas. Estes componentes são 
escolhidos com intuito de obter compósitos com propriedades 
físicas e mecânicas características, e estas propriedades são 
geralmente melhores que as propriedades que os componentes 
possuem individualmente. Entre as propriedades que podem 
ser aprimoradas, destacam-se o módulo elasticidade, tenacidade 
à fratura, propriedades de barreira, retardador de chama, 
condutividade elétrica, entre outras (ADVANI, 2007).
http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201700264
https://ecivilufes.files.wordpress.com/2011/08/argilominerais-propriedades-e-aplicac3a7c3b5es.pdf
https://ecivilufes.files.wordpress.com/2011/08/argilominerais-propriedades-e-aplicac3a7c3b5es.pdf
129129 129
Questão 3 – Resposta: C
Resolução: O método spin-assisted LbL tem seu uso limitado 
a substratos planos e exibe baixa uniformidade na produção 
de filmes em substratos de grande área, situações em que o 
procedimento por spray é mais apropriado. Filmes produzidos 
por spin-assisted LbL são geralmente pouco rugosos devido 
à diminuição da interpenetração das cadeias, por exemplo, 
no caso de polieletrólitos, enquanto pelo método spray os 
filmes produzidos possuem características muito próximas aos 
preparados pelo método convencional (RÓZ et al., 2015).
130130 
Incorporação de nanomateriais 
e nanotecnologia com o meio 
ambiente 
Autor: Rafael Misael Vedovatte
Objetivos
• Rever os conceitos inerentes aos nanomateriais. 
• Compreender a interação entre os 
nanoestruturados, nanomateriais e o 
meio ambiente.
• Conhecer as ferramentas para qualificar o risco 
em caso de acidentes com nanomateriais.
131131 131
1. Ocorrência dos nanomateriais no 
meio ambiente 
O estudo dos materiais com dimensões em nanoescala (1–100 nm) tem 
sido o centro do desenvolvimento de novas tecnologias nas últimas 
décadas. Isto se deve, principalmente, aos estudos dedicados à transição 
de materiais “bulk” (micro ou macroescalas), com propriedades a rigor 
definidas, para nanopartículas (NPs) (BRAR et al., 2015).
Quando se trabalha com nanopartículas é possível observar um 
aprimoramento da reatividade superficial dos nanomateriais (NMs), 
propriedade fundamental para a descoberta de novas características 
físico-químicas (GOGOTSI, 2006; SENGUPTA; SARKAR, 2015; RÓZ et 
al., 2015). No geral, a porcentagem de átomos associados a sítios, 
arestas, cantos ou defeitos aumenta, levando a mudanças na energia 
de superfície e também a variações na estrutura eletrônica dessa classe 
de materiais. A capacidade de ajustar e utilizar essas variações é o que 
continua a impulsionar o desenvolvimento e o uso de nanomateriais em 
uma ampla gama de aplicações (BRAR et al., 2015).
A quantidade exata de NMs presentes no mundo é um tanto 
especulativa se considerarmos os vários tipos de ambientes que podem 
conter nanopartículas. Além de materiais artificiais, as NPs também 
ocorrem em sistemas naturais, incluindo solos, sedimentos, bacias 
hidrográficas, aerossóis e ambientes atmosféricos (BRAR et al., 2015).
A manipulação de nanomaterias apresenta novos desafios para a gestão 
de riscos. Se por um lado as nanotecnologias estão cada vez mais 
presentes em pesquisas e na produção de materiais inovadores, por outro 
lado faltam dados sobre quais são os impactos destes materiais sobre a 
saúde humana e sobre o meio ambiente. (ANDRADE et al., 2013, p. 25)
Por este fato, a presença de NPs no ambiente de manufatura e no 
ambiente natural tornou-se um tópico controverso, particularmente 
associado aos impactos toxicológicos e na saúde pública. Atualmente 
132132 
existe pouco consenso sobre os riscos à saúde das NPs, mas muitos 
estudos demonstram as preocupações com os efeitos adversos das NPs 
em seres humanos, animais e o meio ambiente (BRAR et al., 2015).
Alguns destes estudos sugerem que os nanomateriais podem 
apresentar maior permeabilidade com partes do corpo humando, 
especialmente mucosas e membranas, devido a superior reatividade 
decorrente do aumento da área superficial dos nanomateriais. O ouro, 
quando trabalhado em nanoescala, apresenta reatividade superior se 
comparado ao ouro ‘bulk’ (PASCHOALINO et al., 2010).
2. Nanomateriaisem ambientes de manufatura
Neste ambiente observa-se que as tecnologias baseadas em 
nanociência se expandiram significativamente, como pode ser 
observado pelo aumento do número de patentes em nanotecnologia, 
que aumentaram de 224, em 1991, para 12.776 em 2008, indicando 
um aumento de 5000% em todo o mundo. Em 2009, o comércio global 
em nanotecnologia representava um quarto de trilhão de dólares e 
projeções do mercado mundial sugeriam que mais de 1 trilhão de 
dólares em produtos contendo as NPs fossem produzidos na década 
seguinte (BRAR et al., 2015; SORIANO et al., 2018). 
Logo, à medida que a produção e o consumo de NMs de engenharia 
aumentava com o tempo, surgiam dúvidas sobre o final da vida 
útil desses produtos e sobre os riscos associados ao descarte em 
ambientes naturais e de manufatura (BRAR et al., 2015; ASMATULU; 
TWOMEY; OVERCASH, 2012). 
Para alguns NMs inorgânicos, a reciclagem é um caminho mais 
vantajoso devido, principalmente, ao reaproveitamento dos reagentes 
iniciais e à disponibilidade atual de tecnologias de reciclagem para 
os materiais “bulk” associados. Já os produtos que não podem ser 
133133 133
reciclados, que contêm NPs, resta como destino a liberação no meio 
ambiente, que pode ocorrer, acidentalmente, por meio de falhas em 
processos de produção, descarte de resíduos líquidos ou sólidos ou, 
também, pela decomposição a longo prazo de produtos comerciais 
em aterros sanitários. A incineração é outro método empregado para 
o descarte de produtos, tanto para a redução dos possíveis impactos 
ambientais quanto para a produção de energia (BRAR et al., 2015; 
POURZAHEDI; ECKELMAN, 2014).
Vale destacar que, no caso de liberação acidental de NMs em uma 
instalação, observa-se que esta pode ocorrer devido a uma falha 
crítica durante o processo de produção ou como uma única liberação 
acidental. Liberações acidentais de NPs, em larga escala, até o momento 
não foram relatadas; portanto, o impacto, devido à exposição aguda, 
de uma grande liberação de NPs em colaboradores, socorristas e ao 
meio ambiente ainda é desconhecido. Fato que reforça a importância 
em desenvolver pesquisas nessa área de estudo (BRAR et al., 2015; 
ALAVIITALA; MATTILA, 2015).
No campo das pesquisas pode-se observar que a maioria dos estudos 
sobre riscos ocupacionais e toxicologia das NPs em ambientes de 
manufatura se concentram no estudo da liberação crônica em instalações 
de produção e processamento. Nesta categoria estão incluídos os 
NMs amplamente utilizados em produtos comerciais, como: os metais 
inorgânicos ou partículas à base de carbono e, em menor grau, compostos 
poliméricos ou orgânicos (BRAR et al., 2015; MITRANO et al., 2015).
A maioria dos NMs, incluindo carbono, nanotubos e nanopartículas 
de dióxido de titânio (TiO2) e prata (Ag),tendem a se agregar após a 
liberação no ar para formar estruturas em aerossol maiores que a 
definição convencional de nanopartículas (< 100 nm). Estes podem 
ser absorvidos por meio de controles de engenharia, como filtros e 
respiradores HEPA (do ingês High Efficiency Particulate Air), ou seja, filtros 
com alta eficiência na separação de partículas no ar (BRAR et al., 2015).
134134 
Entretanto, a principal rota para liberação de NPs em sistemas 
ambientais continua sendo o descarte de resíduos líquidos conectados 
ao sistema público de água. Além disso, NPs podem entrar no sistema 
de água através de descargas: agudas (eliminação de resíduos 
industriais) ou crônicas (decomposição de produtos que liberam 
NPs em sistemas de drenagem de águas pluviais) (BRAR et al., 2015; 
POURZAHEDI; ECKELMAN, 2014). 
Por fim, existem os aterros sanitários; estes representam um estágio 
significativo no fim da vida útil para NMs. Segundo Brar et al., (2015), 
aproximadamente 50% dos produtos comerciais acabarão nessas 
instalações de descarte. Os autores reforçam que NMs não devem 
permanecer indefinidamente em aterros, devido à incapacidade dos 
aterros em reter esses materiais (BRAR et al., 2015; POURZAHEDI; 
ECKELMAN, 2014).
Atualmente, não existem limites, regulamentações ou diretrizes sobre a 
exposição ocupacional à liberação de NMs que são usados em produtos. 
O estabelecimento dessas diretrizes é fundamental. Entretanto, se faz 
necessário, primeiramente, realizar uma avaliação para determinar 
a extensão da contaminação pela liberação NPs em manufatura em 
ambientes naturais (BRAR et al., 2015).
3. Nanomateriais em ambientes naturais
Os nanomateriais naturais estão disponíveis em todos os sistemas 
ambientais, incluindo a atmosfera, solos, sedimentos, águas superficiais 
e subterrâneas. Devido à disseminação natural dessas partículas e a 
dificuldade em caracterizar, ou mesmo em alguns casos, identificar 
as nanopartículas nos sistemas naturais, tem sido difícil catalogar a 
distribuição global (BRAR et al., 2015).
O intemperismo terrestre e os processos de formação de minerais em 
solos e sedimentos são a maior fonte de fases nanominerais. As NPs de 
135135 135
argila são a fonte mais abundante, mas óxidos metálicos, como sulfetos, 
carbonatos e fosfatos também compõem um componente significativo 
de NMs naturais dentro dos sistemas do solo (BRAR et al., 2015).
A importância das NPs nos sistemas naturais é generalizada e abrange 
processos geoquímicos fundamentais. Algumas das geoquímicas e 
minerais mais essenciais nos processos aquáticos são impactados 
diretamente por NMs naturais, por exemplo: interações biológicas, 
transporte de contaminantes, transformações catalíticas, crescimento 
mineral, transformação estrutural e intemperismo (BRAR et al., 2015).
As reações químicas na atmosfera também são influenciadas por NMs 
naturais, porque elas são um precursor para formação de partículas 
maiores que impactam o clima global e o transporte de poluentes e/ou 
nutrientes para outras regiões do globo (BRAR et al., 2015). 
ASSIMILE
Até o momento pode-se reparar que os nanomaterias 
sempre estiveram presentes nos mais variados ciclos 
naturais por meio dos nanomateriais naturais. Entretanto, 
com o desenvolvimento de tecnologias para síntese de 
nanoetruturas, houve a produção de NMs de engenharia 
e são sobre essas estruturas que moram as dúvidas em 
relação a sua presença e impacto no meio ambiente.
As preocupações sobre a presença de NPs de engenharia em 
ecossistemas é dificultada pela falta de conhecimento sobre a forma 
como estas se integram ao ambiente e pelas transformações que 
podem ocorrer em sistemas ambientais. Atualmente, as taxas de 
liberação são desconhecidas, mas modelamentos estimam que estas 
encontram-se em torno de 0,003 ng/L para fulereno e 21 ng/L para TiO2 
em águas naturais (MITRANO et al., 2015; BRAR et al., 2015).
136136 
A liberação de esgoto de forma incorreta é um fator que deverá 
aumentar as concentrações de nanoparticulados de engenharia, 
particularmente para TiO2, que poderá ser encontrado em níveis μg/L. 
A deposição de efluentes sólidos em campos agrícolas também pode 
introduzir entre 1 ng e 89 μg de NMs por quilo de biossólidos. A química 
complexa e diversos mecanismos de transformação de NPs no ambiente 
geram incertezas adicionais quanto à potencial risco à saúde ambiental. 
Cada classe de nanopartículas possui propriedades químicas únicas e 
pode também se comportar de maneira diferente com base no método 
de preparação ou no tipo de superfície que atuam como revestimento. 
Uma vez que essas partículas são liberadas no ambiente, elas podem 
sofrer transformações, incluindo agregação química, biológica, física 
e interações com macromoléculas. Algumas transformações podem 
levar à diminuição da mobilidade ou toxicidade, mas outras podem 
promover o aumento das concentrações de metais pesados no ambiente 
e estresse celular (BRAR et al., 2015). Devido a essa incerteza, o impacto 
das nanopartículas modificadas no ecossistema e saúde ambiental 
continuam sendo um tópico que requer muito estudo e pesquisa. Para 
destacar a complexidade da presença de NPs de engenharia no ambientenatural, exemplificaremos com os nanotubos de carbono, nanopartículas 
de prata e NPs antrópicas. Esses NMs foram escolhidos devido ao seu 
amplo uso em produtos comerciais, as quantidades insignificantes de 
análogos naturais e a grande quantidade de pesquisas iniciais sobre as 
suas transformações em sistemas ambientais (BRAR et al., 2015).
Nanotubos de carbono
Os nanomateriais como o negro de fumo, fulerenos, nanotubos 
de carbono de parede simples ou múltipla são amplamente 
empregados na indústria devido a suas diferentes formas e aplicações. 
Nanopartículas provenientes da queima de combustível, como por 
exemplo, em aeronaves, constituídas principalmente por nanofibras 
de carbono, podem influenciar diretamente fenômenos atmosféricos, 
gerando a alteração do clima relacioando à absorção/reflexão da 
137137 137
radiação solar, na formação de nuvens e no processo de destruição de 
ozônio (PASCHOALINO et al., 2010; MITRANO et al., 2015; ALAVIITALA; 
MATTILA, 2015).
Em especial, os nanotubos de carbono são muito utilizados em materiais 
compósitos e continuam sendo investigados por aspectos relacionados 
à entrega de medicamentos. Nanotubos de carbono puros são 
minimamente solúveis e resistem à dispersão na água, portanto não é 
esperado que sejam móveis em sistemas ambientais (BRAR et al., 2015). 
Entretanto, devido à sua solubilidade limitada, os nanotubos de 
carbono podem se acumular em solos e sedimentos, o que propicia sua 
interação com microrganismos, em particular com bactérias presentes 
no solo. Estudos utilizando microrganismos em ambientes de cultura, 
como Escherichia coli, relataram que nanotubos suprimiram a atividade 
metabólica das bactérias, pois mais de 80% das células ligadas às 
paredes nanotubulares estavam mortas após um período de incubação 
de 60 minutos (BRAR et al., 2015).
A transformação da superfície dos nanotubos de carbono também 
pode ocorrer dentro do sistema ambiental, incluindo a oxidação através 
de interações com radicais hidroxila que ocorrem naturalmente. 
A funcionalização da superfície pode ter um impacto significativo 
na interação com os sistemas naturais. Nanotubos de carbono são 
tipicamente modificados em produtos comerciais para melhorar a 
solubilidade, com reações de oxidação (formação grupos carboxilato) 
ou a funcionalização adicional com ligantes como polietilenoglicol 
ou ácido sulfônico. Superfícies funcionalizadas reduzem a toxicidade 
geral para as comunidades microbianas permitindo sua recuperação. 
Entretanto, a composição da comunidade recuperada também muda, 
o que pode gerar impactos sobre o carbono em geral e na ciclagem de 
fósforo no ambiente (PASCHOALINO et al., 2010). 
Nanotubos funcionalizados também estão sujeitos a biotranformações, 
incluindo degradação dos revestimentos dos nanotubos de carbono 
138138 
para agregar e precipitar soluções. A adição de grupos funcionais 
hidrofílicos utilizada para aumentar as interações com superfícies 
minerais ou matéria orgânica natural pode aumentar ou diminuir 
o transporte com base em condições ambientais exatas, por isso a 
complexidade em compreender o comportamento desses NMs no 
ambiente natural (BRAR et al., 2015).
3.1 Nanopartículas de prata (NPs Ag)
Mais de 400 toneladas de nanopartículas de prata são produzidos 
anualmente, das quais 30% são utilizados em medicina devido às 
suas propriedades antibacterianas. O uso generalizado de NPs Ag tem 
gerado implicações em todo o ciclo de vida de produtos médicos, desde 
a produção até o descarte, incluindo, mas não limitado a libertações 
ambientais de nanomateriais (POURZAHEDI; ECKELMAN, 2014).
As NPs de prata são utilizadas em uma ampla variedade de produtos 
comerciais, incluindo têxteis e cosméticos. A liberação dessas 
nanopartículas ocorre através da rede pública de água, na forma de 
partículas primárias ou como o cátion oxidado, Ag+. A maioria dos 
nanoparticulados de prata é encontrada no iodo de esgoto, onde 
pode acabar retornando ao solo após o descarte em aterros sanitários 
(BRAR et al., 2015; POURZAHEDI; ECKELMAN, 2014). As propriedades 
antimicrobianas dos NPs de prata são o fator principal para seu uso 
em produtos comerciais; no entanto, é essa propriedade benéfica 
que pode impactar de forma negativa os sistemas ambientais. 
As NPs de prata são relativamente não-tóxicas (200 mg/L) sob 
condições anaeróbicas. Já a exposição a certos ambientes resulta 
na oxidação química do metal Ag0(s) para a Ag+(aq), que possui 
propriedades bactericidas conhecidas (BRAR et al., 2015). 
Para células eucarióticas in vitro, as concentrações tóxicas são de 1 
a 10 mg/L para Ag+, comparadas a 10 – 200 mg/L para os NPs de prata. 
A dissolução da nanopartícula de prata é impactada pelos revestimentos 
139139 139
de superfície que geralmente são usados para impedir a agregação 
durante o processo de fabricação. Após a degradação do revestimento 
da superfície, a partícula de prata pode dissolver-se incongruentemente, 
deixando a casca em solução. Reações com enxofre inorgânico também 
podem afetar a dissolução e resultar em maiores liberações de Ag+(aq) 
no ambiente (BRAR et al., 2015).
3.2 Nanopartículas antrópicas
Uma fonte importante de NPs antrópicas são os processos de 
combustão. A combustão de combustíveis fósseis ou biomassa é 
muitas vezes incompleta, levando a reações de condensação na fase 
gasosa e formação de grandes partículas aromáticas compostas. 
Nos ambientes de fabricação, partículas ultrafinas de fuligem são 
comuns e se originam do processamento de materiais, emissões 
de veículos e soldagem. As concentrações dessas partículas variam 
amplamente dependendo das atividades industriais e do fluxo de 
ar em toda a instalação. A fuligem também é liberada diretamente 
para o meio ambiente por meio da produção de energia, processos 
industriais e queima de biomassa (BRAR et al., 2015). 
Abordagens para a gestão dos riscos à saúde associados aos 
nanomateriais
Segundo ANDRADE et al. (2013), pode-se organizar as estratégias, 
para gestão dos riscos à saúde, relacionados às operações com 
nanomateriais, de acordo com os princípios definidos pelo International 
Center for Technology Assessment (ICTA). Estes princípios são necessários 
para regulação de atividades com nanomateriais. Sendo estes:
• Princípio da precaução.
• Regulação nano específica compulsória.
• Saúde e segurança do público e dos trabalhadores. 
140140 
• Proteção ambiental. 
• Transparência.
• Participação do público.
• Inclusão de amplos impactos.
• Responsabilidade do produtor.
Neste contexto, a abordagem Control Banding (CB) merece destaque. 
Esta é utilizada para a gestão de riscos em situações que envolvem 
substâncias químicas potencialmente perigosas onde ainda não se 
conhece os dados sobre a toxicidade, no nosso caso, os NMs (ANDRADE 
et al., 2013). A Figura 1 apresenta a probabilidade de exposição a 
nanopartículas durante atividades das categorias de exposição I, 
II e III e correlaciona com a descrição do perigo de cada grupo de 
nanopartículas, nas categorias de perigos 1, 2 e 3.
Figura 1 – Metodologia Control Banding (CB)
Fonte: Andrade (2012, p. 17).
141141 141
Nesta abordagem, os níveis de risco são determinados em função 
da exposição e da periculosidade, classificando a situação avaliada 
em um determinado grupo (faixa ou banda); de forma que, para 
cada faixa haverá ações específicas para o controle dos riscos 
(ANDRADE et al., 2013). 
Logo, essa metodologia é classificada como qualitativa, ou seja, o 
risco não é mensurado, mas sim avaliado, de forma a proporcionar 
uma ferramenta para condições onde exista muita incerteza, como 
é o caso dos impactos dos nanomateriais sobre a saúde humana 
e sobre o meio ambiente. Foi no âmbito da indústria farmacêutica 
que a abordagem de CB se expandiu para a indústria química em 
geral e, mais recentemente, tem sido aplicada a novas tecnologias, 
especialmente às nanotecnologias (ANDRADE et al., 2013).
A metodologia CB pode utilizar seis ferramentaspara auxiliar na 
caracterização do risco. Normalmente estas ferramentas se limitam 
a indicar uma faixa ou banda para determinada operação e ações 
associadas para reduzir ou evitar os riscos. Desta forma estas 
precisam estar inseridas em um conjunto maior de ações para que 
de fato possa se produzir a efetiva gestão do risco. A seguir são 
apresentadas algumas ferramentas para análise qualitativa dos riscos 
associados aos nanomateriais (ANDRADE et al., 2013).
• Precautionary matrix.
• CB Nanotool 2.0.
• Working Safely with Engineered Nanomaterials and Nanoproducts – 
A Guide for Employers and Employees.
• Stoffenmanager Nano 1.0.
• ANSES CB tool for nanoparticles. 
• Nanosafer.
142142 
A Precautionary matrix é uma ferramenta que, por meio de uma 
pontuação, classifica os riscos associados a uma substância em classes 
de acordo com nível do risco. O principal parâmetro para definição 
da pontuação é a relevância do material, considerando, por exemplo, 
características como (o tamanho e características da partícula) condições 
específicas de uso e potenciais efeitos de exposição. O uso deste 
parâmetro indica ou não a necessidade de treinamento para realização 
da atividade a qual se aplica o nanomaterial (ANDRADE et al., 2013). 
O CB Nanotool trabalha com quatro níveis de risco, predeterminados, 
para operações com nanomateriais. Cada nível é definido de acordo 
com a relação entre o nível de gravidade associado às características 
das nanopartículas (reatividade) e sua toxicidade versus a relação entre 
a quantidade de material utilizado, frequência e duração das operações, 
número de pessoas envolvidas e o grau de dispersão e no ar do 
material (ANDRADE et al., 2013). 
O guia da União Europeia, Working Safely with Engineered Nanomaterials 
and Nanoproducts – A Guide for Employers and Employees, avalia 
quantitativamente os ambientes de trabalho, por meio de estratégias 
que permitem avaliar os limites de exposição. Nesta ferramenta, 
as atividades são classificadas em três níveis de controle, baseados 
na relação entre níveis de exposição versus categoria de perigo. 
A exposição é definida pela avaliação da possibilidade de ocorrer 
a emissão de nanopartículas, enquanto o perigo define-se por pelas 
propriedades dos nanomateriais como, por exemplo: biopersistência e 
morfologia (ANDRADE et al., 2013).
A ferramenta Stoffenmanager Nano 1.0, é um aplicativo disponível 
na internet e, segundo seus autores, não há necessidade de 
conhecimentos específicos sobre segurança e saúde no trabalho para 
sua utilização. Entretanto, em situações em que não há informações 
sobre as nanopartículas, este sistema classifica o perigo pelos dados 
da substância “bulk”. Desta forma, classifica-se em categorias de 
143143 143
perigo, as nanopartículas. Quando se refere à exposição, utiliza-se um 
conjunto de 14 parâmetros que permitem a determinação da faixa de 
exposição. Os parâmetros se relacionam a aspectos como a quantidade 
de material, grau de dispersão no ar, formas de manipulação, tipos 
de processo, existência de equipamentos de proteção coletiva e 
equipamentos de proteção individual (ANDRADE et al., 2013).
4. Caracterização, quantificação e avaliação da 
toxicidade dos nanomateriais
A caracterizaão adequada do nanomaterial é de fundamental 
importância para avaliação da toxicidade. Pois, a atividade biológica 
dos nanomateriais pode se alterar durante a interação desses com 
o meio ambiente, sendo este observado na variação de algumas 
propriedades físico-químicas na NPs. O tamanho médio das 
partículas, a área superficial e a composição química são os principais 
parâmetros avaliados na caracterização da toxidade. Por exemplo, 
nanopartículas dificilmente são encontradas isoladamente no meio, 
geralmente estas se agregam formando partículas que podem variar 
de tamanho (> 100 nm) pela mudança das condições ambientais, 
como força iônica e pH. Estes aglomerados são mantidos por forças 
relativamente fracas, como interações hidrofóbicas, influenciando 
diretamente no modo como os nanomateriais podem estar dispersos 
no ar e em fase aquosa, sendo este estado de dispersão uma das 
características mais difíceis de quantificar (PASCHOALINO et al., 2010).
Outros fatores importantes a serem considerados no estudo da 
toxicidade dos nanomateriais são associados às diferentes morfologias 
às quais as partículas podem se apresentar após o contato com outros 
ambientes, podendo ser encontradas em sua forma livre ou como 
aglomerados (PASCHOALINO et al., 2010).
144144 
Outros fatores que também são apontados em estudos dedicados aos 
riscos em trabalhar com NMs (ALAVIITALA; MATTILA, 2015; BRAR et al., 
2015) são a toxicidade desses materiais e a identificação da emissão de 
nanopartículas. Logo, compreender os fenômenos associados aos NMs e 
assim relacioná-los com os possíveis efeitos à saúde e ao meio ambiente 
são fundamentais para o desenvolvimento de novas tecnologias no 
campo dos nanomateriais (PASCHOALINO et al., 2010).
Embora não exista um protocolo para se determinar quais parâmetros 
físico-químicos são mais relevantes para serem medidos em testes 
toxicológicos, é consenso, na maioria dos artigos que abordam a 
toxicidade de nanotubos de carbono, a necessidade do conhecimento do 
diâmetro e comprimento do material, além de sua pureza, que pode ser 
bastante alterada, principalmente de acordo com o catalisador utilizado. 
Nos trabalhos com TiO2, as propriedades mais comumente descritas 
são o tamanho da partícula, medidopor DRX (Difração de Raios X) e a 
área superficial avaliada por MEV (microscopia eletrônica de varredura) 
e pelo AFM (microscópio de força atômica). Contudo, grande parte dos 
trabalhos da literatura não observa a capacidade das nanopartículas 
em formar aglomerados, o que seria fundamental em estudos sobre a 
translocação destas nos organismos (PASCHOALINO et al., 2010).
Possivelmente, o aspecto menos desenvolvido nos estudos 
toxicológicos são as técnicas para quantificação de nanomateriais no 
ambiente. Estes materiais, por possuírem características físico-químicas 
muito diferentes de seus precursores macroscópicos, necessitam 
do desenvolvimento de adaptações validadas das técnicas analíticas 
comumente empregadas. Poucos estudos realizam a quantificação do 
material após testes toxicológicos, já que normalmente a concentração 
inicial da nanopartícula adicionada é conhecida. No entanto, para 
estudos de bioacumulação, a quantificação dos materiais em diferentes 
órgãos do receptor necessita de técnicas específicas para cada tipo de 
material (PASCHOALINO et al., 2010).
145145 145
5. Avaliação de riscos
A avaliação de riscos tem como principal objetivo caracterizar o nível de 
risco, utilizando por exemplo, uma pontuação ou classificação relativa. 
Por meio dessa avaliação é possível realizar uma avaliação de risco e 
obter informações úteis para avaliar alternativas de controle. Geralmente, 
a avaliação de risco é dividida nas etapas a seguir (BRAR et al., 2015):
• Avaliação da dose-resposta.
• Avaliação da exposição ambiental.
• Caracterização de risco.
As etapas envolvidas na avaliação de riscos englobam reconhecer e 
caracterizar os perigos, estabelecer a ligação entre dose e resposta e 
assim, prevenir a probabilidade de exposição (BRAR et al., 2015).
Um fator essencial para avaliação de riscos é a determinação da dose-
resposta, que pode ser definida como “o processo de caracterizar a 
relação entre a dose administrada ou recebida, e os consequentes efeitos 
adversos à saúde sobre a saúde um indivíduo” (BRAR et al., 2015, p. 364). 
Normalmente, dose refere-se à 'dose em massa' (ou seja, μg, mg, 
g). No entanto, com base nas experiências adquiridas na dose de 
resposta, observa-se que a atividade biológica das NPs pode não 
depender somente da massa, mas de fatores que, geralmente, não são 
considerados em estudos de toxicidade (BRAR et al., 2015).
O segundo fator, exposição, é um aspecto importante para 
avaliação de riscos de NMs,pois este fator é considerado como uma 
pré-condição para os potenciais efeitos toxicológicos e ecotoxicológicos. 
É por meio da determinação dos níveis de exposição que são definidas 
as concentrações e formas biodisponíveis de um contaminante no 
ambiente. Sempre se levam em consideração os efeitos no organismo-
alvo associados ao destino e o período de exposição (BRAR et al., 2015).
146146 
Por fim, a caracterização de risco (CR) é considerada a etapa final do 
procedimento de avaliação de risco e é definida como avaliação da 
incidência e gravidade de efeitos adversos que, provavelmente, podem 
ocorrer em uma população humana ou em um compartimento ambiental 
devido à exposição real ou prevista a uma substância (BRAR et al., 2015). 
Importante destacar que para quantificar e qualificar um risco se 
faz necessário integrar todas as informar adquiridas durantes as 
etapas de avaliação do risco. Logo, as informações coletadas durante 
a identificação de perigos, dose-resposta e exposição são avaliadas 
em conjunto para concluir a probabilidade de risco às populações 
expostas (BRAR et al., 2015).
PARA SABER MAIS
A compreensão dos impactos ambientais causados pelos 
nanomateriais depende da análise do seu ciclo de vida. Até 
o momento, os estudos de ciclo de vida de nanomateriais 
têm sido focados nos efeitos ambientais e de saúde que 
causam durante a produção e o uso. Porém, como aponta 
o artigo Life cycle and nano-products: end-of-life assessment, a 
análise do estágio final do ciclo de vida dos nanomateriais 
também é crítica, pois nessa fase podem surgir diversos 
impactos ou benefícios significativos para o meio ambiente 
(ASMATULU; TWOMEY; OVERCASH, 2012).
A incorporação de NMs em produtos de consumo tem crescido de 
forma vertigionosa nas últimas décadas e este aumento deve continuar 
nos próximos anos. A nanotecnologia tem causado um forte impacto 
positivo na economia global, o que conseguentemete gera o aumento 
da produção de nanomateriais. Isto impacta diretamente os meios 
147147 147
ambiente e de manufatura devido, principalmente, à liberação crônica 
desses materiais após a conclusão do seu ciclo de vida (MITRANO et al., 
2015; BRAR et al., 2015; ASMATULU; TWOMEY; OVERCASH, 2012).
Estudos estimam que, provavelmente, 2 milhões de novos 
colaboradores serão expostos a NMs na próxima década. Além disso, 
o não controle da liberação de NMs em sistemas ambientais por meio 
de efluente de esgoto, acidentes ou decomposição de produtos em 
aterros sanitários, resultará em algum impacto ambiental (BRAR 
et al., 2015; MITRANO et al., 2015; ALAVIITALA; MATTILA, 2015). 
O entendimento atual da ocorrência de impactos naturais e NMs na 
fabricação, construção e o ambiente global está significativamente 
ausente. A complexidade química, a metaestabilidade e os amplos 
mecanismos de transformação também contribuem para o disperso e 
incompleto conhecimento sobre os riscos de materiais de engenharia 
para o ecossistema e a saúde (BRAR et al., 2015). 
Ao longo deste capítulo, várias áreas foram destacadas com relação às 
lacunas de conhecimento sobre a ocorrência de NMs em ambientes 
de manufatura e naturais. Esforços significativos devem continuar 
para preencher essas lacunas de conhecimento e fornecer uma 
compreensão aprimorada desses sistemas que incentivarão o 
desenvolvimento de NMs avançados, mitigando seus riscos potenciais 
para o ambiente global (BRAR et al., 2015).
TEORIA EM PRÁTICA
A manipulação de nanomateriais apresenta novos desafios 
para a gestão de riscos. Se por um lado as nanotecnologias 
estão cada vez mais presentes em pesquisas e na produção 
de materiais inovadores, por outro lado faltam dados sobre 
quais são os impactos destes materiais sobre a saúde 
humana e sobre o meio ambiente (ANDRADE et al., 2013). 
148148 
Sobre esse tema, você foi indaqado pelos seus colegas 
a respeito dos riscos em trabalhar com nanomateriais. 
Logo, querendo tranquilizar a todos, você precisa 
explicar o porquê se deve desenvolver pesquisas e 
estudos para compreender os possíveis impactos, 
associados aos nanomateriais, no meio ambiente, 
a fim de garantir operações seguras.
VERIFICAÇÃO DE LEITURA
1. Assinale a alternativa que completa corretamente o 
trecho a seguir: 
Nos útimos vinte anos, pôde-se observar que o estudo 
dos materiais com dimensões em nanoescala __________ 
tem sido o centro do desenvolvimento de novas 
tecnologias. Isto se deve, principalmente, aos estudos 
dedicados à transição de materiais na escala bulk ou 
escala macro, com propriedades a rigor definidas, para 
nanopartículas (NPs) (BRAR et al., 2015).
a. (1–100 nm).
b. (1–100 m).
c. (1–100 µm).
d. (1–100 cm).
e. (1–100 mm).
149149 149
2. Assinale a alternativa que apresenta corretamente a 
ferramenta da metodologia CB para determinação 
do risco em operações com materiais em que não 
se conhece a toxicidade para um dado período de 
exposição, descrita a seguir: 
Trabalha com quatro níveis de risco, 
predeterminados, para classificar uma determinada 
operação com nanomateriais. Cada nível é obtido 
definido de acordo com a relação entre o nível de 
gravidade associado às obtidas pelas características 
físico-químicas das nanopartículas (reatividade) e 
sua toxicidade, (ou do material em escala macro, na 
falta de informações específicas do nanomaterial) 
versus o nível de probabilidade que leva em conta 
a relação entre a quantidade de material utilizado, 
frequência e duração das operações, número de 
pessoas envolvidas e o grau de dispersão e no ar do 
material (ANDRADE et al., 2013). 
a. Nanosafer.
b. Stoffenmanager Nano 1.0.
c. CB Nanotool.
d. Precautionary matrix.
e. N ANSES CB tool for nanoparticles.
3. Assinale a alternativa que completa corretamente o 
trecho a seguir: 
150150 
A caracterização adequada do nanomaterial 
é de fundamental importância para avaliação 
da toxicidade. Pois, a atividade biológica dos 
nanomateriais pode se alterar durante a interação 
desses com o meio ambiente, sendo este observado 
na variação de algumas propriedades físico-químicas 
na NPs. Nesta caracterização, alguns parâmetros, 
tais como o(a) __________, a área e a(o) __________ 
superficial, se tornam essenciais.
a. Coloração; Composição química.
b. Tamanho médio das pertículas; Coloração.
c. Composição química; Coloração.
d. Tamanho médio das partículas; Composição química.
e. Composição química; Tamanho médio das partículas.
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49, n. 1, p. 361-368, 23 dez. 2014. American Chemical Society (ACS). http://dx.doi.
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RÓZ, Alessandra Luzia da et al. Nanoestruturas: coleção nanociência e 
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SORIANO, María Laura et al. Analytical nanoscience and nanotechnology: where we 
are and where we are heading. Talanta, [s.l.], v. 177, p. 104-121, jan. 2018. Elsevier 
BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.talanta.2017.09.012.
Gabarito
Questão 1 – Resposta: A 
Resolução: Nos útimos vinte anos pôde-se observar que o estudo 
dos materiais com dimensões em nanoescala (1–100 nm) tem sido 
o centro do desenvolvimento de novas tecnologias. Isto se deve, 
principalmente, aos estudos dedicados à transição de materiais na 
escala bulk ou escala macro, com propriedades a rigor definidas, 
para nanopartículas (NPs) (BRAR et al., 2015). 
http://dx.doi.org/10.1016/j.envint.2015.01.013
http://dx.doi.org/10.1016/j.envint.2015.01.013
http://dx.doi.org/10.1021/es504655y
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152152 
Questão 2 – Resposta: C 
Resolução: O CB Nanotool trabalha com quatro níveis de risco, 
predeterminados, para operações com nanomateriais. Cada nível 
é definido de acordo com a relação entre o nível de gravidade 
associado às características das nanopartículas (reatividade) e 
sua toxicidade, versus a relação entre a quantidade de material 
utilizado, frequência e duração das operações, número de 
pessoas envolvidas e o grau de dispersão e no ar do material 
(ANDRADE et al., 2013). 
Questão 3 – Resposta: D 
Resolução: A caracterizaão adequada do nanomaterial é de 
fundamental importância para avaliação da toxicidade. Pois, a 
atividade biológica dos nanomateriais pode se alterar durante a 
interação desses com o meio ambiente, sendo este observado 
na variação de algumas propriedades físico-químicas na NPs. 
O tamanho médio das partículas, a área superficial e a 
composição química são os principais parâmetros avaliados 
na caracterização da toxidade. Por exemplo, nanopartículas 
dificilmente são encontradas isoladamente no meio, geralmente 
estas se agregam formando partículas que podem variar de 
tamanho (> 100 nm) pela mudança das condições ambientais, 
como força iônica e pH (PASCHOALINO et al., 2010). 
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	Apresentação da disciplina 
	Biomateriais: definição 
	Verificação de leitura 
	Referências bibliográficas 
	Gabarito 
	Biomateriais metálicos, cerâmicos e poliméricos 
	Verificação de leitura 
	Referências bibliográficas 
	Gabarito 
	Nanociência e nanotecnologia 
	Verificação de leitura 
	Referências bibliográficas 
	Gabarito 
	Síntese dos materiais nanoestruturados 
	Síntese de filmes nanoestruturados por eletrodeposição 
	Síntese de nanopartículas magnéticas 
	Verificação de leitura 
	Referências bibliográficas 
	Gabarito 
	Filmes nanoestruturados 
	Nanocompósitos de matriz polimérica e argila lamelar 
	Verificação de leitura 
	Referências bibliográficas 
	Gabarito 
	Ocorrência dos nanomateriais no meio ambiente 
	Nanomateriais em ambientes de manufatura 
	Nanomateriais em ambientes naturais 
	Caracterização, quantificação e avaliação da toxicidade dos nanomateriais 
	Avaliação de riscos 
	Verificação de leitura 
	Referências bibliográficas 
	Gabarito