Plataformas eletroquímicas baseadas em nanomateriais e impressão 3D para detecção de substâncias de interesse clínico, ambiental e alimentar

Descrição

Sensores eletroquímicos representam uma classe versátil de dispositivos analíticos capazes de detectar parâmetros físicos, químicos e biológicos por meio de reações eletroquímicas. Quando incorporam biomoléculas como elemento de reconhecimento, passam a ser denominados biossensores, apresentando vantagens significativas em termos de especificidade, seletividade e sensibilidade (Ramesh et al., 2023; Cho et al., 2020). A tecnologia eletroquímica tem ocupado posição de destaque tanto na pesquisa básica quanto aplicada, com aplicações em áreas como energia, saúde, monitoramento ambiental e tratamento de águas residuais (Ameen et al., 2025; Shin et al., 2019; Yu et al., 2014; Kinnamon et al., 2018; Arellano-Gonzalez et al., 2015). Uma das principais vantagens desses sistemas é sua natureza limpa e sustentável, com reações iniciadas por elétrons, considerados "reagentes verdes". Neste contexto, a fabricação de eletrodos seletivos, sensíveis e robustos é fundamental para o avanço dos sensores e biossensores eletroquímicos. Esses dispositivos têm potencial para enfrentar desafios sociais urgentes, como o diagnóstico precoce de doenças e a detecção de poluentes ambientais (Ambaye et al., 2021; Banks et al., 2025). Na área da saúde, o diagnóstico precoce é crucial para aumentar as taxas de cura e permitir tratamentos personalizados e mais eficazes. Sensores capazes de detectar biomarcadores com alta precisão e rapidez são ferramentas promissoras para testes point-of-care, que possibilitam o monitoramento contínuo e a intervenção precoce em condições clínicas. A flutuação nos níveis de biomarcadores está associada a diversas doenças, tornando essencial o desenvolvimento de sensores com alta sensibilidade, resposta rápida e baixo custo (Barbosa et al., 2021). No campo ambiental, destaca-se a preocupação com o uso intensivo de pesticidas tóxicos, cujos resíduos afetam negativamente o meio ambiente e a saúde humana. Apesar da eficácia dos métodos analíticos convencionais, como cromatografia e espectrometria, estes são frequentemente onerosos, lentos e exigem infraestrutura sofisticada e pessoal altamente treinado (Regueiro et al., 2015). Como alternativa, os sensores e biossensores eletroquímicos vêm ganhando destaque por sua portabilidade, baixo custo, rapidez e elevada seletividade, demonstrando grande potencial para aplicações em campo (Hara & Singh, 2021). Na área de alimentos, a garantia da qualidade e da segurança alimentar é essencial para proteger a saúde dos consumidores e atender às exigências regulatórias. Entre os principais contaminantes de interesse destacam-se resíduos de pesticidas, corantes sintéticos não permitidos ou em concentrações inadequadas, micotoxinas, metais pesados, antibióticos e outros resíduos de medicamentos veterinários, aditivos alimentares em excesso, contaminantes microbiológicos e compostos formados durante o processamento, como acrilamida e aminas biogênicas (Hosseinikebria et al., 2025). A presença dessas substâncias pode comprometer a qualidade dos produtos e representar riscos à saúde pública. Nesse contexto, sensores e biossensores eletroquímicos surgem como alternativas promissoras para o monitoramento rápido, sensível, seletivo e de baixo custo em matrizes alimentares, possibilitando análises in loco e contribuindo para o controle de qualidade, a rastreabilidade e a prevenção de riscos associados ao consumo de alimentos contaminados (Franco et al., 2026). Um componente central desses dispositivos é o eletrodo, que atua tanto como transdutor quanto como suporte para a imobilização de biomoléculas. Avanços recentes têm demonstrado que a incorporação de nanomateriais aos eletrodos pode melhorar significativamente o desempenho analítico dos sensores, ampliando sua sensibilidade, seletividade, estabilidade, reprodutibilidade e tempo de resposta. A nanotecnologia, com materiais na faixa de 1 a 100 nm, tem desempenhado papel fundamental nesse aprimoramento, graças às propriedades únicas exibidas por materiais nessa escala (Kucherenko et al., 2019). Além disso, as técnicas de manufatura de eletrodos evoluíram consideravelmente, com destaque para a impressão 3D. Juntamente com outras tecnologias como serigrafia e impressão a jato de tinta, a impressão 3D tem revolucionado a fabricação de sensores eletroquímicos por sua flexibilidade, baixo custo e capacidade de produzir dispositivos personalizados com formas e tamanhos variados, minimizando etapas de produção e geração de resíduos (Smith et al., 2019; Tortorich et al., 2018; Katseli et al., 2019; Silva et al., 2020; Abdala et al., 2020). Diante desse cenário, este projeto de pesquisa tem como objetivo desenvolver sensores e biossensores eletroquímicos inovadores, empregando nanomateriais e tecnologias de impressão 3D. Serão utilizadas nanoestruturas como nanotubos de carbono, óxido de grafeno, nanotubos de titanato e black TiO2. Os dispositivos desenvolvidos serão voltados para aplicações ambientais e na área de alimentos, como a detecção de pesticidas (com foco no Fipronil, glifosato ou clorpirifós), corantes e metais pesados, e para aplicações clínicas em sistemas point-of-care, visando a detecção de dopamina, glicose e peróxido de hidrogênio. O proponente do projeto coordena o Grupo de Materiais Nanoestrurrados para Aplicações (Bio)tecnológicas (Nano&UFRRJ). O projeto será executado no no Laboratório de Nanotecnologia, Cerâmicas e Compósitos (LNanoC2/DEQ/UFRRJ), no qual o proponente é coordenador, que já dispõe de infraestrutura adequada e consolidada para o desenvolvimento das atividades propostas. A viabilidade executiva está plenamente assegurada por três auxílios à pesquisa atualmente vigentes obtidos pelo coordenador, todos na área de sensores e biossensores eletroquímicos baseados em nanotecnologia e manufatura aditiva: FAPERJ AGRO (E-26/290.009/2023) e Líder de Inovação do Nosso Estado/LINE (E-26/260.283/2026). Esses financiamentos garantem a aquisição de materiais, reagentes e insumos necessários, bem como o suporte técnico-operacional à condução da pesquisa. O LNanoC2 conta com equipamentos e insumos essenciais para a fabricação dos sensores e biossensores propostos. As etapas de caracterização físico-química dos materiais, fundamentais para avaliar morfologia, estrutura e propriedades eletroquímicas, serão realizadas com o apoio de laboratórios da própria UFRRJ, como a Central Analítica Multidisciplinar (CAM), e de instituições parceiras, como a COPPE/UFRJ, o CBPF e o CETEM, com as quais já existem colaborações consolidadas. Os resultados esperados incluem o desenvolvimento de dispositivos analíticos inovadores e de alto desempenho, com aplicações promissoras tanto na área clínica quanto ambiental. A metodologia empregada, que combina nanotecnologia e impressão 3D, é altamente versátil e poderá ser adaptada para a detecção de diversos analitos, incluindo contaminantes ambientais, biomarcadores de doenças e substâncias de interesse na indústria alimentícia. O sucesso desta pesquisa poderá representar um avanço expressivo no campo dos (bio)sensores eletroquímicos, contribuindo para a geração de conhecimento, inovação tecnológica e fortalecimento da área de nanotecnologia no Departamento de Engenharia Química da UFRRJ. Além disso, o projeto terá papel estratégico na formação de estudantes de graduação, capacitando recursos humanos em áreas científicas prioritárias para o desenvolvimento do país.