Você já parou para pensar de onde vêm os materiais que usamos todos os dias? Muitos dizem que vivemos a ‘Era do plástico’ – e não estão errados. Basta olhar ao redor: embalagens, fibras têxteis e até dispositivos médicos são feitos de polímeros, moléculas gigantes formadas pela repetição de unidades menores, como um longo colar de contas. 

Mas, talvez, você não saiba que a natureza é a maior fabricante de polímeros do planeta.

Ao lado dos polímeros sintéticos, derivados do petróleo, há uma família de materiais de origem natural. Esses materiais são, na maioria dos casos, seguros para uso no corpo humano (biocompatíveis) e biodegradáveis (ou seja, menor impacto ambiental). Melhor ainda: já são usados para criar soluções inovadoras em saúde e tecnologia.

Neste artigo, trataremos de três exemplos dessa classe de polímeros: quitosana, produzida a partir de cascas de crustáceos descartadas pela indústria pesqueira; celulose, extraída e refinada de resíduos agrícolas; e alginato, obtido de algas marinhas. 

Em comum, eles carregam química simples e poderosa: cargas elétricas que atraem ou repelem; redes que viram gel, quando entram em contato com sais e fibras muito finas que se organizam em escalas microscópicas. 

Mas, antes de prosseguirmos, é importante deixar claro um ponto: aproveitar fontes naturais não, necessariamente, significa agredir a natureza. Em vez de extrair mais da natureza, reaproveitamos o que seria considerado lixo. 

Usamos cascas de camarão e caranguejo da indústria alimentícia para obter quitosana; aproveitamos bagaço de cana-de-açúcar e outros restos agrícolas para produzir celulose em escala nanométrica; e recorremos a algas pardas (muitas vezes, de cultivo controlado) para extrair alginato. 

Portanto, a lógica é simples: reduzimos resíduos e agregamos valor a um material que seria descartado – e, ao mesmo tempo, fazemos as fronteiras da ciência avançarem (figura 1).

Imagine um material que vem da natureza e estanca sangramentos, combate micróbios e libera medicamentos de forma controlada. Esse material tem nome: quitosana. Trata-se de um polímero derivado da quitina, o segundo polímero mais abundante na natureza, encontrado em cascas de crustáceos, como camarões e caranguejos, bem como em insetos e fungos.

A produção da quitosana é um excelente exemplo de economia circular. Em vez de descartar as cascas de crustáceos, a indústria pesqueira pode vendê-las para empresas que extraem a quitina e a transformam em quitosana. É um processo que reduz o lixo e gera valor a partir de um resíduo. 

Mas o que torna a quitosana tão especial? Sua ‘mágica’ está em sua estrutura química. Em soluções levemente ácidas, a quitosana adquire uma carga elétrica positiva. Essa característica, rara entre os polímeros naturais, permite que ela interaja com células, proteínas e outras moléculas de carga negativa, como as que compõem nossa pele e as membranas de bactérias. 

É como se a quitosana agisse como um imã molecular que se conecta a diferentes superfícies.

A versatilidade da quitosana permite uma variedade de aplicações – muitas delas, parecem saídas de um filme de ficção científica. Vejamos algumas delas.

No universo nanométrico – onde as dimensões são milhares de vezes menores que a espessura de um fio de cabelo –, a quitosana é usada para construir camadas finíssimas, empilhadas como folhas quase invisíveis. Essa técnica de montagem – conhecida como LbL (sigla, em inglês, para ‘camada por camada’) – permite que a quitosana se una a nanopartículas de ouro e outros polímeros. 

Em combinação com outros materiais, como nanopartículas de ouro, a quitosana pode ser usada para criar sensores que mudam de cor na presença de certas substâncias. Uma das possibilidades: imagine uma embalagem de alimento que avisa quando o produto está estragando. 

A quitosana pode ser moldada em micro e nanopartículas que funcionam como cápsulas para transportar medicamentos. Esse diminutos dispositivos podem ser projetados para liberar o fármaco lentamente, no local exato da doença, aumentando a eficácia do tratamento e reduzindo os efeitos colaterais.

A quitosana é um excelente agente hemostático, ou seja, ajuda a estancar sangramentos. Sua carga positiva atrai as células vermelhas do sangue, que têm carga negativa, acelerando a coagulação. Além disso, suas propriedades antimicrobianas ajudam a prevenir infecções. Já há no mercado curativos à base de quitosana usados em hospitais e campos de batalha.

Esse polímero natural também pode ser usado para criar ‘andaimes’ (scaffolds) que servem de suporte para o crescimento de novas células e tecidos. Essas estruturas são biocompatíveis e biodegradáveis, sendo gradualmente absorvidos pelo corpo à medida que o novo tecido se forma.

A celulose, principal componente das plantas, é considerada o polímero mais abundante da Terra. Assim como a quitosana, a celulose é um polissacarídeo, ou seja, longa cadeia de moléculas de açúcar. 

É o que dá rigidez às árvores. Sua força e leveza vêm, em grande parte, de uma organização hierárquica. Imagine uma corda: fios finos se unem para formar fios mais grossos, que, por sua vez, se unem para formar a corda. Na celulose, ocorre algo parecido: cadeias de celulose se organizam em nanofibrilas, que se agregam para formar as fibras que vemos na madeira e no papel.

Hoje, a ciência nos permite ‘desconstruir’ essa corda natural e acessar suas unidades fundamentais: as nanofibras (ou, simplesmente, nanocelulose). E é aí que as coisas ficam realmente interessantes. A nanocelulose é um material com propriedades incríveis: é mais forte que o aço, transparente, leve e excelente barreira contra o oxigênio. Melhor: é de origem vegetal, renovável e biodegradável.

Outra característica interessante do ponto de vista científico da celulose está em sua aptidão para modificações químicas. Isso permite aos cientistas ‘plugarem’ diferentes moléculas em sua superfície para adicionar funções específicas. 

A indústria automobilística, por exemplo, já está usando nanocelulose para fabricar peças mais leves, o que reduz o consumo de combustível dos veículos. Eletrônicos flexíveis, como telas dobráveis e sensores vestíveis, também tiram proveito da resistência da celulose. 

Filmes de nanocelulose são transparentes e excelentes barreiras contra o oxigênio, o que os torna ideais para embalagens de alimentos. Eles poderiam substituir parte do consumo de plásticos derivados de petróleo, reduzindo o impacto ambiental. 

De filamentos super-resistentes a embalagens que substituem o plástico, a celulose em nanoescala tem redefinido o futuro dos materiais sustentáveis.

O alginato é um polímero extraído de algas marrons, e sua principal característica é a capacidade de formar géis na presença de íons de cálcio. É como fazer uma gelatina: você dissolve o pó na água e, ao adicionar um agente gelificante (no caso do alginato, o cálcio), a solução se transforma em um gel.

Essa propriedade, chamada de gelificação iônica, é o que torna o alginato tão versátil. O processo é suave, rápido e pode ser controlado para criar géis com diferentes graus de rigidez e porosidade.

Além de um material de origem natural, o alginato é conhecido por não ser tóxico para células e tecidos, e pode ser processado em água. Por ser um polímero carregado negativamente, ele se liga naturalmente a polímeros positivos (como a quitosana), permitindo a construção de filmes ultrafinos e complexos por atração elétrica.

O alginato é também famoso na gastronomia. Você já deve ter visto algum tipo de esfera transparente que se desfaz na boca, liberando um líquido docinho ou azedo. É com alginato que os chefs criam essas famosas ‘bolinhas’, liberando sabores líquidos. O alginato também funciona como agente espessante e estabilizante para melhorar a textura de molhos, cremes e sorvetes.

De modo análogo à sua função na gastronomia, o alginato também é usado para encapsular células, enzimas e medicamentos. As esferas de alginato protegem o conteúdo do ambiente externo e permitem a liberação controlada no local desejado. Essa técnica é usada na indústria farmacêutica, de alimentos e até em terapias celulares.

Assim como a nanocelulose, o alginato é uma excelente ‘biotinta’ para bioimpressão 3D. Combinado com outros materiais, como a própria nanocelulose, ele permite a criação de estruturas complexas que imitam a arquitetura dos tecidos biológicos.

Em contato com feridas, o alginato forma um gel que mantém o ambiente úmido, ideal para a cicatrização. Além disso, o cálcio presente no alginato gelificado ajuda a estancar o sangramento.

Se esses materiais já são incríveis individualmente, a verdadeira mágica acontece quando os combinamos, permitindo a criação de materiais com múltiplas funções. A seguir, exemplos dessas aplicações.

Ao unir quitosana, alginato e celulose, criamos um curativo muito interessante. Como vimos, o alginato forma um gel que mantém a ferida úmida, acelerando a cicatrização, enquanto a quitosana age como agente antimicrobiano, ajudando a estancar o sangramento. Já a celulose fornece uma rede de fibras que mantém todos os materiais no lugar. É a combinação ideal para tratar feridas complexas.

Misturas de alginato e nanocelulose operam como biotintas: a nanocelulose ajuda a manter a forma (reologia) durante a impressão, e o alginato enrijece (gelificação iônica) pós-impressão, fixando a geometria impressa. 

Estruturas porosas de quitosana e celulose servem como matrizes para crescimento celular, com porosidade e rigidez ajustáveis. Esses materiais têm sido usados para criar, em laboratório, modelos de pele, cartilagem e tecidos moles, aproximando a engenharia de tecidos de rotas aquosas, brandas e biocompatíveis.

Microesferas de alginato e filmes de quitosana são usados para imobilizar micro-organismos e biocatalisadores, aumentando estabilidade, reutilização e produção contínua em processos fermentativos ou enzimáticos. Suportes de nanocelulose oferecem grande área específica para ancoragem de enzimas, preservando atividade e facilitando a separação do produto final.

Filmes (‘papéis’ muito finos) de nanocelulose são plataformas transparentes e ajustáveis para sensores ópticos ou eletroquímicos. Eles podem ancorar corantes que reagem à luz ou ao pH, bem como nanopartículas metálicas e camadas condutoras impressas. 

Revestimentos com quitosana – produzidos com base no método camada a camada (LbL) – criam superfícies que capturam biomarcadores por interação eletrostática, enquanto a matriz de alginato estabiliza enzimas. 

Podemos, por exemplo, criar um filme alternando camadas de quitosana (positiva) e nanocelulose (negativa), para produzir embalagens com barreiras ou sensores de alta precisão. O resultado são dispositivos finos, de baixo custo, como tiras de teste rápido ou eletrodos impressos, ambos para diagnósticos rápidos chamados POC (sigla, em inglês, para point-of-care). 

Compósitos de quitosana com nanocelulose reforçam a ação de agentes ativos (por exemplo, íons ou nanopartículas) e os distribuem de forma homogênea. Em superfícies de contato (curativos, cateteres e filtros), a combinação de barreira física (celulose), atividade antimicrobiana (quitosana) e ambiente úmido controlado (alginato) ajuda a diminuir colonização e recorrência de infecções.

E, quando o produto já cumpriu seu papel, o que acontece com esses materiais? Aqui, entra uma diferença importante entre muitos plásticos convencionais e polímeros naturais como quitosana, celulose e alginato. 

Como eles são, essencialmente, longas cadeias de unidades de açúcar, a natureza já sabe como ‘desmontá-las’. Em ambientes úmidos e ricos em micro-organismos (compostagem, por exemplo), enzimas específicas quebram a longa cadeia polimérica em fragmentos menores, até chegar a açúcares simples, que podem ser metabolizados (figura 2).

Isso não acontece na mesma velocidade em qualquer cenário: a forma do material, o quanto suas moléculas estão próximas umas das outras e as condições do meio (umidade, pH e temperatura) mudam muito o ritmo do processo. 

Por isso, o termo biodegradável não significa ‘some do dia para a noite’; significa que há uma rota plausível quando o ambiente é favorável.

Quitosana, celulose e alginato são só três exemplos do potencial dos polímeros naturais. A combinação desses materiais com a nanotecnologia une bilhões de anos de evolução – a qual otimizou materiais funcionais – com a nossa capacidade de ‘engenheirar’ estruturas em escalas minúsculas, abrindo um leque de possibilidades que antes parecia ficção científica. 

Estamos falando da próxima geração de materiais: mais inteligentes, sustentáveis e seguros, que nos ajudarão a viver mais e melhor, em harmonia com o planeta.

Claro, ainda há desafios a serem superados. É preciso garantir a segurança e eficácia desses novos materiais, bem como desenvolver processos de produção em larga escala e a um custo competitivo.

Mas a ciência está avançando a passos largos, e o futuro que estamos construindo é, sem dúvida, mais verde e sustentável.