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COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Nº 172233
IPT e suas ações direcionadas a nanotecnologia
Slides da apresentação no Workshop em Nanotecnologia, Polímeros Avançados, Sistemas de Liberação, Curativos e Engenharia de Tecidos, 2013, São Paulo. Slides da apresentação
A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo
S/A - IPT Av. Prof. Almeida Prado, 532 | Cidade Universitária ou
Caixa Postal 0141 | CEP 01064-970 São Paulo | SP | Brasil | CEP 05508-901
Tel 11 3767 4374/4000 | Fax 11 3767-4099
www.ipt.br
IPT e suas ações direcionadas a nanotecnologia
Dra. Maria Helena Ambrosio Zanin
Workshop em Nanobiotecnologia
04.09.2013
Uma das primeiras instituições de P&D&I aplicados no Brasil
Sociedade Anônima, cujo sócio controlador é o Governo do Estado de São Paulo, por meio da Secretaria da Fazenda
O que é
O que é
Criar e aplicar soluções tecnológicas para aumentar a competitividade das empresas e promover a qualidade de vida.
Ser instituição líder nacional e atuar internacionalmente no desenvolvimento de tecnologias avançadas.
Integridade ética, probidade, isenção, competência técnica e qualidade em procedimentos de busca contínua de melhorias.
Missão
Visão
Valores
{
{
{
Histórico
1899 - Fundação Criação do Gabinete de Resistência de Materiais (GRM) na Escola Politécnica
Histórico
1934 – Decreto 6375 transforma o Gabinete de Resistência de Materiais em Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT
1960 – Reestruturação das áreas técnicas Divisões técnicas, focadas em áreas da engenharia
1972 – IPT melhora a sua relação com as indústrias: contratos de P&D&I com empresas privadas se tornam mais freqüentes
1976 – IPT é transformado numa S/A de capital misto e passa a ter metas anuais de faturamento.
2008-2012 – GESP investe R$150 milhões em programa de modernização laboratorial
Modernização
2008 – 2012 Investimentos de R$186 milhões
Novos focos: •Estruturas Leves
•Bionanotecnologia
Formação de pesquisadores no exterior: 36 até 2012
Concurso público: 66 funcionários contratados em 2012
Estrutura Física
Unidades em
São Paulo
Franca (EPIs, couros e calçados)
São José dos Campos* (materiais compósitos)
14 unidades tecnológicas
40 laboratórios e seções
92.030 m2 de área construída
* Em implantação
Centros técnicos
CT-Obras Tecnologia de Obras de Infra-estrutura
CTMM Centro de Tecnologia em Metalurgia e Materiais
CETAE Tecnologias Ambientais e Energéticas
CT-Floresta Tecnologia de Recursos Florestais
CNaval Engenharia Naval e Oceânica
CMF Metrologia de Fluidos
CETIM Têxteis Técnicos e Manufaturados
CIAM Tecnologia da Informação, Automação e Mobilidade
CINTEQ Integridade de Estruturas e Equipamentos
CETAC Tecnologia do Ambiente Construído
CMQ Metrologia em Química
CME Metrologia Mecânica e Elétrica
NT – MPE Suporte às PMEs
NT- Bionanomanufatura
Núcleo de BioNanoManufatura
Terminologia
Bio Nano Manufatura
MicroManufatura e
Metrologia de três dimensões de alta performance
NanoPartículas produzidas por processos
químicos
Biotecnologia Industrial
Background
Previous experience: • Biotechnological &
chemical processes, including microfluidic applications & macro-measurements
Modernização da capacitação original:
•Nanoescala em química e materiais •Nova infra estrutura laboratorial e ambiente •Melhoria da tecnologia para caracterização •Micro-fabricação & avaliação além dos dispositivos microfluídicos
Instalações e infraestrutura
• Instalação • Aprox. 8000 m2 em 3 pavimentos
• Salas limpas (classe100 e1000) e
labs com ambientes protegidos
para trabalhos com células
animais e vegetais
• Acomodações para 65
pesquisadores permanentes e
visitantes
• Espaço para eventos com até 125
pessoas
• Espaço de 1000 m2 para
ampliação e plantas piloto
• Pessoal permanente • 4 Administrativos e gestão
• 26 pesquisadores
• 14 técnicos
• Investimento
• R$ 26 milhões instalação
• R$ 26 milhões em novas
tecnologias & processos
Plataformas Tecnológicas Integradas
Nanotecnologia: novas possibilidades de intensificação de processos (físicos, químicos e biológicos) através da redução de escala e com ganhos na qualidade dos produtos
Biotecnologia: processos menos nocivos ao meio ambiente com menor consumo de energia e uso de matérias primas renováveis
Microtecnologia: capacidade de produzir micro e nano dispositivos para biosensores, microreatores, MEMS( e NEMS
Metrologia dimensional avançada: capacidade de medição em 3D permitindo diagnóstico e desenvolvimento de micro e nano dispositivos
Microtecnologia e Metrologia dimensional avançada
Foco principal
•Projeto, fabricação e caracterização de microssistemas, como MEMS e biossensores. Foco no desenvolvimento de processos de micromanufatura em sala limpa
Soluções tecnológicas
•Microssistemas cerâmicos LTCC- Low Temperature Co-fired Ceramic
•Microdispositivos em silício, vidro, materiais poliméricos e substratos metálicos
•Ativação de superfícies
Infraestrutura
•Prototipagem experimental em LTCC (usinagem, serigrafia, laminação, sinterização e montagem)
•Deposição de filmes finos e espessos de diversos materiais, incluindo polímeros
•Corrosão úmida e por plasma
•Fotolitografia
•Microusinagem e microperfuração com laser
•Microfresamento com ferramentas de corte
•Medição dimensional e geométrica de micropeças e microcomponentes
Microtecnologia
Foco principal
•Avaliação dimensional e geométrica de microdispositivos aplicados a BioNanoTecnologia. Entrega de informação qualificada para realimentação de projeto e melhoria da qualidade
Soluções tecnológicas
•Metrologia dimensional e geométrica de peças com superfícies regulares ou superfícies livres
•Medição não destrutiva de detalhes internos de componentes e peças em materiais diversos (aços, alumínio, magnésio, titânio, cerâmica e plástico)
•Digitalização por completo de peças e mecanismos complexos
•Detecção e análise de defeitos em materiais
•Calibração de padrões de comprimentos
Infraestrutura
•Sistema de metrotomografia 3D de raios X com múltiplos sensores
•Máquinas multi-sensor de medição por coordenadas
•Estação de trabalho com alta capacidade de processamento com aplicativos (VG-StudioMax™, SmartFit™, SmartProfile™ e Geomatic™)
Metrologia dimensional avançada
Active Pharmaceutical Ingredient (API)
Solubilização Formação
Nanopartícula
Aumento da bio-disponibilidade
Microfluidica aplicada na produção de nanopartículas
Cristais
Dispositivo Microfluidico
Caracterização
Nanopartícula Amorfa
ϕ ≈ 200 nm
Competência IPT: Fabricação de dispositivos microfluídicos para geração de nanopartículas por nanoprecipitação em modo contínuo. Aplicação: Indústrias farmacêutica,
química, saúde e de alimentos.
Nanotecnologia
Foco principal
•Desenvolvimento de sistemas nanoestruturados por diferentes rotas, utilizando polimeração, emulsificação, evaporação de solvente, spray-dryer e processos microfluidicos
Soluções tecnológicas
•Síntese de nanopartículas
•Produção de nanofibras poliméricas por eletrofiação
•Funcionalização de nanomateriais
•Desenvolvimento de fluidos complexos
•Sistemas de liberação controlada
•Modificação e funcionalização de superfícies
•Técnicas avançadas de caracterização de nanomateriais e fluidos
Infraestrutura
•Reatores automatizados
•Homogeinizadores de alta pressão
•Nano spray-dryer
•Microscópios de alta precisão
•Analisadores de tamanho de partículas de alta precisão
Nanotecnologia
Exemplos de aplicações em Nanotecnologia
Ilustração de um sistema monoaxial de electrospinning
Produção de nanofibras poliméricas por eletrofiação
Syringe pump Collector
High Voltage
Supply
Nanofibras
Patches
Administração
tópica
Dfiber Area
Volume α
Aplicação de campo elétrico
Aplicações:
Filtração seletiva
Superficies funcionalizadas
Autores: Dra. Maria Helena A. Zanin, r. Adriano M. Oliveira, Dra. Natália N.P.Cerize
H2O + Tensoativo (85± 5°C)
Agitação
Sol. tampão 7,4 (5% tween 80)
Nanoencapsulação de ativos cosméticos
NANOENCAPSULAÇÃO DE FILTRO SOLAR POR NANOLIPÍDICAS
Ativo+Lipídio Fundido (85± 5°C)
Homo. Alta Pressão (600bar)
Cel de Difusão de Franz HPLC
Alguns destaques...
NANOPARTÍCULAS TERMOSENSÍVEIS
Nanoparticulas termossensíveis para veiculação de ativos.
Tese de Doutoramento: Adriano Marim – Patente nº. PI 0902050-0
Propriedades de sólidos cristalinos
Capacitação IPT: Modificação morfológica (hábito cristalino) para melhoria das propriedades de transporte, processamento, dissolução e biodisponibilidade de materiais sólidos cristalinos.
Cristalização
Precipitação
Mudança de solvente
Aditivos
Polimorfismo
Cristalização Esférica
Ácido Adípico
Sulfato de Cobre
Carbonato de Cálcio
(vaterita + calcita)
Agente Ativo Farmacêutico Efeito de agentes externos
(ex. campo magnético)
Sistemas de liberação controlada
Capacitação IPT: Domínio de diferentes técnicas de micro(nano)encapsulação dedicadas à geração de sistemas de liberação controlada (encapsulação de agentes ativos hidrofílicos e hidrofóbicos).
Tecnologias de Encapsulação
Fibras de tecido impregnadas com
cápsulas contendo material encapsulado
Mecanismos de liberação controlada
Nanocarreadores Coloidais
Capacitação IPT: Desenvolvimento de processos (rotas) para encapsulação de agentes ativos.
Princípio Ativo Princípio Ativo
Nanoencapsulado
Terapia Fotodinâmica
(tratamento de câncer)
Absorvedores de radiação UVA e UVB
Capacitação IPT: Emprego da técnica de polimerização em emulsão auxiliada por mecanismo de Pickering para produção de sistemas híbridos orgânico-inorgânico nanoestruturados (materiais funcionais).
Processo de polimerização em emulsão
auxiliado pelo mecanismo de Pickering
Agente de Proteção
Química
(Molecular)
Agente de Proteção
Física
(Nanopartículas)
Matriz Polimérica
Óxido Cerâmico
Agente Ativo
Efeito de degradação de polímeros
Revestimentos Funcionais
Secagem por aspersão (spray-drying)
Capacitação IPT: Empego da técnica de secagem por aspersão (spray-drying) para geração de nanopartículas poliméricas com potencial para encapsulação de agentes ativos.
(2)
(1)
1) Atomizador (membrana piezoelétrica)
2) Coletor (sistema eletrostático)
Sistemas nanoestruturados (aglomeração)
Capacitação IPT: Emprego da técnica de secagem por aspersão (spray-drying) para aglomeração de sistemas particulados. Produção de sistemas (re)dispersíveis.
Spray-Drier (piloto)
50.000x (ampliação) 20.000x (ampliação)
Aglomeração
Partículas primárias sub-micrométricas
(em detalhe)
Benefício Segurança
Borracha (elastômeros) em pó
Capacitação IPT: Uso de nanopartículas de óxidos cerâmicos para modificação do comportamento termomecânico de materiais elastoméricos (baixa Tg) e respectiva produção de borracha em pó empregando a técnica de secagem por aspersão (spray-drying).
SBR após processamento na
presença de nanopartículas SBR sem modificação
Adição de
nano SiO2
Modificação de látex (sintético) mediante
incorporação de nanopartículas cerâmicas
Modificação Termoplásticos
Absorvedores de Impacto
Secagem por aspersão
(spray drying)
Agentes Reguladores de Temperatura (PCM´s)
Capacitação IPT: Emprego da técnica de polimerização interfacial para produção de nanocápsulas contendo materiais ativos encapsulados (sistemas estímulo-resposta).
Princípio de funcionamento
Dispersão em volume
Dispersão em superfície
Ciclo Térmico
Revestimentos
Funcionais
Compósitos
Revestimento polimérico bactericida
Capacitação IPT: Síntese de nanopartículas metálicas e funcionalização de superfícies através de revestimentos funcionais de origem orgânica (ex. função bactericida).
Revestimento polimérico hidrofílico
Nanopartícula de prata (NanoAg)
Íons de prata (Ag+)
Bactéria (viva)
Bactéria (morta) Substrato
Processo de síntese de
nanopartículas
Deposição de filmes
poliméricos
Biotecnologia
Foco principal
•Desenvolvimento de processos de produção de moléculas bioativas com foco na substituição de processos químicos. Desenvolvimento de bioprocessos incluindo o isolamento e a seleção dos microorganismos, estudos genéticos, purificação, biocaracterização e escalonamento
Soluções tecnológicas
•Bioprospecção de novos microorganismos
•Melhoramento genético de microorganismos
•Metabolômica
•Desenvolvimento e otimização de bioprocessos
•Escalonamento de bioprocessos
•Purificação e caracterização de biomléculas
•Avaliação in vitro da atividade antimicrobiana e citotoxicidade
•Avaliação da biodegradabilidade de produtos
Infraestrutura
•Biorreatores automatizados (0.7 a 100 l)
•Sistema de pré-tratamento de materiais lignocelulósicos
•Cromatógrafos e espectrômetros de massa
•Analisadores de gases (respirômetros)
•Infraestrutura de screening de microorganismos
Biotecnologia
Exemplos de aplicações em Biotecnologia
Produção do Polímero Biodegradável - PHB
0
0,5
1
1,5
2
2,5
19931995
19961998
2000
Shaker Biorreator
Bac.mutante
Biorreator Fed-Batch
Biorreator Alta Densidade
Otimização Matemática
Processo
Evolução da Tecnologia - IPT - Polihidroxialcanoatos
Produtividade de PHA (g/L.h) - Bactérias (sacarose invertida)
Somos capazes de selecionar a linhagem do microrganismo e polímeros com alta produtividade (menores plantas de processamento) e elevados rendimentos (baixo custo do produto) a partir de diferentes fontes de carbono renováveis
Microbiologia e Biologia
Molecular
Diferentes estratégias de condução de
experimentos em biorreatores (15L)
Modelagem, simulação e
Otimização de
Processos
Diferentes produtos em
escala piloto (100L)
Seleção da linhagem
Produção de proteína recombinante por bactérias para vacinas
Principal desafio: a produção concomitante de
subprodutos tóxicos resultando em morte celular.
Somos capazes de desenvolver e otimizar processos de produção de vacinas veterinárias e humanas.
Resultado: Aumento de 120% na concentração
celular em escala piloto de 80L.
Resultado Final: Aumento da
Produtividade do Produto
Desafio: Aumentar a concentração celular
do processo industrial em reator de 80L.
Produção de Biofármacos: Desenvolvimento de Anticorpos Monoclonais
0
50
100
150
200
20012002
2003
Batch
Batch -meio fortificado
Fed-Batch
Evolução da Tecnologia - IPT - Anticorpo Monoclonal
Concentração de AcMo (ug/mL) - Células animais
Somos capazes de desenvolver os processos de produção de Biofármacos e outras biomoléculas de interesse para a saúde.
Desafio 1: Aumentar a
concentração celular em
biorreatores de 2L
Ampliação de escala em
biorreator de 10L
Gargalo: Produção de
subprodutos tóxicos
Estudo do Meio de Cultura
e do Controle do
Metabolismo Celular
Avaliação da produção de enzimas
Somos capazes de realizar etapa de busca de microrganismos focados no produto desejado e na matéria- prima de interesse (ex. resíduos)
Seleção das Linhagens mais promissoras
Novos microrganismos de interesse industrial
Gargalo do processo de produção de álcool de 2ª geração: enzimas
Bioprospecção de microrganismos para a produção de novas
enzimas para hidrólise enzimática
(1) (2)
(3) (4)
IPT 825
Isolamento de linhagens
(1) (2)
(3) (4)
Biorefinaria: fontes renováveis de matéria prima
Estamos capacitados para pesquisas que utilizem resíduos agroindustriais como matéria prima para produção de insumos para diversos setores industriais.
Resíduo
agroindustrial
Pré-tratamento por
explosão a vapor
Hidrólise
enzimática Deslignificação
Ação Embrapii - IPT
O Que é a Embrapii ?
Objetivo: desenvolver projetos na fase intermediária da inovação, em cooperação com
empresas, voltados para gerar novos conhecimentos, produtos e processos aplicáveis
diretamente no setor produtivo.
Período da ação piloto
Contratação: 24meses (Dezembro 2013)
Conclusão projetos: 48 meses (Dezembro 2015)
Participantes fase piloto (iniciais)
Energia e saúde
Automação e manufatura
BioNanoManufatura, novos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos
Política do IPT – Embrapii
Áreas Somente projetos nas áreas de atuação IPT-Embrapii • Projetos aplicados à qualquer setor industrial ou ramo de negócios, desde que
ancorados nas especialidades do IPT
• Projetos:
– cuja solução e inovação gerada seja suportada pelas áreas de Biotecnologia, Nanotecnologia, Micromanufatura, Microtecnologia ou Metrologia de Ultraprecisão ou pela combinação delas ou envolvam inovações em novos materiais metálicos, cerâmicos ou polméricos, ou
– envolva novos materiais, metálicos, cerâmicos ou poliméticos
Execução Responsabilidade da execução é do IPT (cooperação com os parceiros)
Aporte de Recursos Contrapartida da empresa e da Embrapii é financeira
Contrapartida do IPT é econômica
Propriedade Intelectual ‒ Propriedade intelectual partilhada
‒ Garantia para exploração da tecnologia pela empresa
Referência de análise Embrapii
Inovação − Potencial de geração de conhecimentos tecnológicos e inovação
(patenteabilidade).
Desafio tecnológico − Avaliação do gargalo tecnológico e disponibilidade de recursos
necessários para a superação do desafio.
Valor − Potencial de geração de valor da tecnologia após seu
desenvolvimento
Obrigada !
Detalhes em:
www.ipt.br
www.ipt.br/bionanomanufatura
Contato: