E se a equipe médica de emergência pudesse tratar um paciente desesperadamente doente que precisa de oxigênio com uma simples injeção, em vez de ter que depender de ventilação mecânica ou correr para levá-los a uma máquina de bypass coração-pulmão?
Uma nova abordagem para o transporte de gases usando uma classe de materiais chamados líquidos porosos representa um grande passo em direção aos transportadores artificiais de oxigênio e demonstra o imenso potencial biomédico desses fluidos incomuns.

Em um estudo publicado no mês passado na Nature , uma equipe de cientistas do Departamento de Química e Biologia Química de Harvard detalha uma nova abordagem para o transporte de gases em ambientes aquosos usando líquidos porosos. Os autores identificaram e adaptaram várias estruturas porosas que podem armazenar concentrações muito mais altas de gases, incluindo oxigênio (O₂ ) e dióxido de carbono (CO₂ ), do que as soluções aquosas normais. Esse avanço pode ser a chave para a criação de fontes injetáveis ​​de oxigênio como terapia de ponte para parada cardíaca, criando substitutos artificiais de sangue e superando desafios de longa data na preservação de órgãos para transplantes.

"Percebemos que haveria muitos benefícios em usar líquidos com microporosidade permanente para enfrentar os desafios do transporte de gás na água e em outros ambientes aquosos", disse Jarad Mason, autor sênior do artigo e professor assistente de química e biologia química. "Nós projetamos fluidos que podem transportar O₂ em densidades que excedem a do sangue, o que abre novas e excitantes oportunidades para o transporte de gases para uma variedade de aplicações biomédicas e energéticas."

Líquidos com microporosidade permanente são uma nova classe de materiais que são compostos por partículas microscópicas porosas dispersas em um meio líquido. Imagine pedaços minúsculos, recicláveis, semelhantes a esponjas, capazes de absorver gases em seus buracos e liberá-los. Até agora, todos os líquidos porosos consistiam em nanocristais microporosos ou moléculas orgânicas de gaiola dispersas em solventes orgânicos ou líquidos iônicos que são muito grandes para difundir através das entradas dos poros. Os pesquisadores desenvolveram uma nova estratégia para criar líquidos porosos aquosos - denominados "água microporosa" - com altas capacidades de gás com base na termodinâmica.

O trabalho foi liderado por membros do laboratório de Mason, incluindo os alunos de doutorado Daniel P. Erdosy, Malia Wenny, Joy Cho, Miranda V. Walter, pesquisador de pós-doutorado Christopher DelRe e o graduando Ricardo Sanchez. Simulações computacionais e experimentos biológicos também foram realizados em colaboração com cientistas do Hospital Infantil de Boston e da Universidade Northwestern, incluindo Felipe Jiminez-Angeles, Baofu Oiao e Monica Olvera de la Cruz.

A água é uma molécula polar, tornando-se um ótimo solvente para outras moléculas polares, como etanol e açúcar, mas é muito pior para dissolver moléculas não polares como O₂ gás. Como tal, a água pura pode transportar 30 vezes menos oxigênio do que os glóbulos vermelhos. A solubilidade extremamente baixa dos gases na água impôs um limite rígido em muitas tecnologias biomédicas e relacionadas à energia que requerem o transporte de moléculas de gás através de fluidos aquosos. Este novo mecanismo de transporte de gás supera a baixa solubilidade dos gases na água e permite o transporte rápido de gás.

Inspirado por poros em certas proteínas que são acessíveis a moléculas de água, mas em geral permanecem secos em soluções aquosas, a equipe propôs que nanocristais microporosos com superfícies internas hidrofóbicas e superfícies externas hidrofílicas poderiam ser projetados para deixar a estrutura microporosa permanentemente seca na água e disponível para absorver moléculas de gás.

"Tivemos que conciliar duas propriedades aparentemente contraditórias", disse Erdosy. “Nós projetamos a superfície interna para ser hidrofóbica e repelente à água, e a superfície externa para ser hidrofílica e amante da água, porque, caso contrário, o fluido se separaria como óleo e água”.

A equipe sintetizou os materiais em seu laboratório e testou sua capacidade de absorver e liberar gases. Eles descobriram que a água microporosa pode transportar reversivelmente densidades extremamente altas de gases através de ambientes à base de água. Usando essa estratégia, a equipe desenvolveu um líquido poroso que pode transportar uma densidade mais alta de O₂ do que está presente no gás puro. Esses líquidos aquosos porosos apresentam notável estabilidade em prateleira, permitindo que sejam armazenados à temperatura ambiente por meses antes do uso.

“Com um pouco mais de desenvolvimento, você pode imaginar armazenar oxigênio em um líquido microporoso em uma ambulância para tê-lo pronto para injetar em uma pessoa sempre que necessário”, disse Wenny.

O laboratório planeja realizar mais experimentos em água microporosa para testar suas aplicações biomédicas, enquanto continua a explorar outros usos potenciais para os materiais.

"Queremos desenvolver mais materiais e modelos animais para criar e testar um transportador de oxigênio in vivo", disse Erdosy. "Também temos um projeto mais focado em energia planejado para usar água microporosa para enfrentar os desafios do transporte de gás na eletrocatálise". + Explorar mais

Aglomerados de água em estruturas orgânicas covalentes porosas cristalinas hidrofóbicas

Esta história foi publicada como cortesia do Harvard Gazette, o jornal oficial da Universidade de Harvard. Para mais notícias da universidade, visite Harvard.edu.