BR112021007139A2

BR112021007139A2 - formulações em pó para liberação controlada de espécies de oxigênio reativas

Info

Publication number: BR112021007139A2
Application number: BR112021007139-3A
Authority: BR
Inventors: Mark Sceats; Phil Hodgson; Adam VINCENT; Robert Van Merkestein
Original assignee: Calix Ltd
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2019-10-03
Publication date: 2021-07-20
Also published as: WO2020077391A1; EP3866595A1; EP3866595A4; CA3115855A1; AU2019361732A1; US20210392879A1; CN112888311A

Abstract

FORMULAÇÕES EM PÓ PARA LIBERAÇÃO CONTROLADA DE ESPÉCIES DE OXIGÊNIO REATIVAS. A invenção descreve um pó de óxido de metal e semimetal que, quando aplicado a um ambiente, inibe o crescimento de colônias de microrganismos, em que o pó inclui partículas compreendendo uma distribuição de tamanho de partícula entre 0,1 a 100 mícrons, que são formuladas como um produto fortemente ligado, poroso, compósito de grãos em nanoescala de materiais em que os grãos têm uma área de superfície de 75 a 300 m2/g e que têm menos do que cerca de 10-4% de espécies de radicais livres em peso, e em que o pó está adaptado para liberar espécies de oxigênio reativo (ROS) que se rompem quando as partículas entram em contato com um microrganismo.

Description

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FORMULAÇÕES EM PÓ PARA LIBERAÇÃO CONTROLADA DE ESPÉCIES DE OXIGÊNIO REATIVAS CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção se refere amplamente à formulação e/ou uma composição de um material de óxido em pó que inibe o crescimento de muitos microrganismos pela liberação controlada de Espécies Reativas de Oxigênio (ROS), geradas em um modo de ruptura ou ruptura de ROS quando as partículas de pó entram contato com tais microrganismos. Os pós podem ser aplicados em uma ampla variedade de aplicações, como um constituinte em tintas marítimas para inibir o crescimento de biofilme; como um revestimento para esgotos para inibir a corrosão, como um spray ou pó para agricultura e aquicultura para inibir doenças; e como um pó, pomada, pasta ou spray para animais e humanos, para inibir doenças. A presente invenção também pode incluir um processo para a geração do referido pó de óxido.

FUNDAMENTOS

[002] As Espécies Reativas de Oxigênio (ROS), como peróxido de hidrogênio, superóxido e radicais peroxila, são geradas por células eucarióticas em plantas, peixes, animais e humanos como um meio de inibir doenças de microrganismos patogênicos, como colônias de vírus, bactérias e fungos. Em particular, os microrganismos anaeróbios não podem lidar prontamente com o estresse oxidativo causado por pequenas doses de ROS. Também é bem conhecido que as ROS também atacam as células eucarióticas, embora de forma mais lenta, também porque o estresse oxidativo interno criado pelas ROS acaba por quebrar as estruturas internas das células.

[003] Portanto, uma resposta típica da célula eucariótica à doença é gerar uma ruptura de ROS para evitar a doença, porque uma resposta sustentada não é possível. Tal processo, denominado ruptura de ROS, requer uma via de sinalização por meio da qual a célula reconhece quando está sob ataque de tais agentes patogênicos, para que possa responder com tal ruptura

2 / 18 de ROS.

[004] Nos últimos anos, nanopartículas de óxido têm se mostrado eficazes na inibição de tais patógenos e, mais comumente, essa eficácia é geralmente atribuída a ROS detectadas em ou em torno dessas partículas. É bem entendido a partir de trabalhos anteriores publicados sobre catalisadores que as superfícies de óxido podem suportar espécies radicais, como peróxidos, nas etapas e bordas dos cristais de óxido, de modo que as nanopartículas, com sua área de superfície muito alta para a razão de volume, podem ser uma fonte de ROS em meio aquoso.

[005] Como as nanopartículas são muito menores que o microrganismo, as nanopartículas de óxido se ligam à superfície de muitos desses microrganismos. É geralmente proposto que as ROS liberadas das nanopartículas podem se difundir através da superfície do microrganismo, geralmente levando à morte do microrganismo. Essas nanopartículas são geralmente denominadas bioativas. Em certos casos, as nanopartículas também podem romper essa membrana celular e se difundir através das paredes celulares para atacar diretamente os sistemas intracelulares do microrganismo.

[006] Em tais aplicações, a proposição geral é que o ROS de tais nanopartículas gera estresse oxidativo no microrganismo patogênico da mesma forma que as células eucarióticas produzem rajadas de ROS sob ataque de tais patógenos e, portanto, tal bioatividade pode ajudar a mitigar a doença. Este é um modo de ação genérico, que é significativamente diferente dos produtos farmacêuticos que têm como alvo locais químicos específicos no microrganismo. Em resposta a tais fármacos, o microrganismo patogênico gera resistência. Em contraste, não há nenhuma evidência ensinando que tal resistência a ROS possa ser desenvolvida. Claro, há uma evolução contínua do combate entre células eucarióticas e patógenos, e a geração e supressão de ROS é um tema central.

[007] A proposição geral do estresse oxidativo não é uniformemente

3 / 18 aceita, e uma alternativa é que as observações da inibição derivam da fixação das nanopartículas de óxido aos biofilmes e sua destruição por meio de reações catalíticas. No contexto desta invenção, tal catálise está geralmente associada a espécies de radicais nas superfícies das partículas e o resultado líquido da inibição é consequentemente semelhante ao aqui descrito.

[008] Nanopartículas de óxido típicas que são bioativas são AgO, ZnO, MgO, CuO, SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3 e Mn3O4. Os cátions de metal também podem desempenhar um papel significativo, e alguns, como Cu2+, são tóxicos por si só, e outros proveem micronutrientes como Mg2+ and Zn2+. O Mg2+ é um fertilizante vegetal comum.

[009] Sem ser limitado pela teoria, é geralmente entendido que as espécies ROS preexistem na superfície de tais nanopartículas, e a superfície de tais nanopartículas são geralmente hidratadas. A liberação de tais ROS armazenados ocorre por difusão a partir da superfície da partícula. No entanto, a cobertura de ROS na superfície das nanopartículas não está bem caracterizada, e os processos pelos quais as ROS são criadas também não estão bem caracterizados. No entanto, os princípios gerais podem ser aplicados nos quais as ROS são criadas a partir de espécies radicais formadas quando as ligações químicas são rompidas durante a síntese, e as ROS armazenadas são as espécies residuais de vida longa que sobreviveram à recombinação radical-radical.

[0010] A síntese de nanopartículas de óxido é muito cara, e existem preocupações para a saúde humana decorrentes da capacidade das nanopartículas de penetrar prontamente através da pele e serem facilmente inaladas. Para superar esses problemas, uma abordagem que foi desenvolvida é produzir partículas porosas de tamanho mícron que têm grandes superfícies internas, que são equivalentes, em termos de massa, em termos de m2/g de material ao das nanopartículas. Um meio de fabricação de tais materiais é descrito por Sceats et. al. (WO2018076073) (incorporado neste documento

4 / 18 por referência) e referências nele, em que um material precursor, tendo uma grande fração de massa de materiais voláteis, é calcinado rapidamente para remover os voláteis e resfriado rapidamente de modo que a sinterização das partículas, o que diminui a superfície área, é minimizado.

[0011] A bioatividade de tais pós foi reivindicada por Sceats (Pedido PCT Publicado No. WO2017219068), e Sceats and Hodgson (Pedido PCT Publicado No. WO2016112425) (aqui incorporado por referência) e referências nele, particularmente em referência à pasta de hidróxido de magnésio produzida a partir de MgO nanoativo. Nesse caso, as partículas nanoativas de MgO são totalmente hidratadas pelo processo de hidratação instantânea descrito por Sceats and Vincent (Pedido PCT Publicado No. WO2015058236) (aqui incorporado por referência). Em termos gerais, observou-se que a bioatividade de pequenas nanopartículas e grandes partículas nanoativas é semelhante e se correlaciona com a área de superfície dos materiais iniciais (em m2/g). Assim, os pós queimados ou queimados mortos apresentam pouca bioatividade.

[0012] As espécies ROS em partículas de pó nanoativas são produzidas a partir de partículas precursoras formadas em uma etapa de calcinação, e as ROS são formadas e armazenadas durante a etapa de hidratação. Este ROS armazenado é liberado no meio aquoso por difusão. A bioatividade de tais materiais nanoativos é, portanto, semelhante à das nanopartículas equivalentes, exceto que as espécies ROS são armazenadas principalmente nas superfícies dos poros internos. Assim, o ROS armazenado é liberado em uma solução aquosa por difusão a partir dos poros internos.

[0013] Observando que o ROS armazenado representa as espécies de ROS residuais após a recombinação radical-radical, seria mais desejável produzir o ROS apenas quando a partícula estiver em contrato com um microrganismo patogênico, emulando assim uma ruptura de ROS de uma célula eucariótica em tal contato. Como um princípio geral, a recombinação

5 / 18 radical-radical durante a formação compete contra a difusão para o microrganismo, e a maior eficiência de escape de tal ruptura de ROS pode prover uma dose maior de ROS no microrganismo, aumentando assim a eficácia. O objetivo desta invenção é descrever os meios de gerar uma ruptura de ROS a partir de uma partícula nanoativa como resultado da interação com tais microrganismos patogênicos.

[0014] Qualquer discussão da técnica anterior ao longo do relatório descritivo não deve, de forma alguma, ser considerada como uma admissão de que tal técnica anterior é amplamente conhecida ou faz parte do conhecimento geral comum no campo.

SUMÁRIO PROBLEMAS A SEREM RESOLVIDOS

[0015] Pode ser uma vantagem da presente invenção prover ou produzir um pó nanoativo de partículas de tamanho mícron que libera uma ruptura de ROS quando as partículas entram em contato com um microrganismo.

[0016] Outras vantagens da presente invenção podem permitir que o referido pó seja implantado em tintas ou revestimentos marinhos anti- incrustantes, onde os microrganismos podem ser as bactérias anaeróbias que circundam as larvas cirrípedeos) à medida que fazem a transição para o estágio séssil para se ligar primeiro a uma superfície. A inibição prematura de tais colônias bacterianas em uma superfície revestida pode inibir a fixação de tais larvas a tal superfície revestida.

[0017] Uma outra vantagem da presente invenção pode permitir que o referido pó seja implantado em revestimentos de sistemas de esgoto onde os microrganismos podem ser as Bactérias Oxidantes de Enxofre (SOB) que residem na coroa das linhas de esgoto e acima do nível da água. O ácido sulfúrico ataca o concreto alcalino e o aço, causando corrosão. A inibição do crescimento de colônias de SOB em uma superfície revestida pode inibir a

6 / 18 corrosão do sistema de esgoto.

[0018] Além disso, uma vantagem também pode ser implantada como revestimentos e sprays em superfícies expostas ao ar para inibir o crescimento de microrganismos infecciosos, com referência específica a surtos de doenças que se tornaram resistentes a antibióticos convencionais e, em particular, a superbactérias, tais como Enterobacteriaceae resistente à Carbapenema (CRE), Staphylococcus aureus resistente à Meticilina (MRSA), Enterobacteriaceae produtoras de ESBL (β-lactamases de espectro estendido), Enterococcus resistente à Vancomicina (VRE) Pseudomonas aeruginosa resistente a múltiplos fármacos e Acinetobacter resistente a múltiplos fármacos.

[0019] Outras vantagens podem incluir a capacidade ou capacidade de ser implantado na agricultura e aquicultura, onde a crescente resistência de doenças a pesticidas, fungicidas, bactericidas e viricidas levou a surtos de doenças que são cada vez mais difíceis de controlar.

[0020] Outras vantagens também podem incluir a capacidade de ser implantado em pomadas e pós tópicos que são usados para proteger humanos e animais contra a propagação de patógenos em feridas e infecções de vários vírus, bactérias e fungos ou limitar a propagação ou infecção dos mesmos.

[0021] Essa vantagem também pode ser implantada durante a cirurgia, ou recuperação cirúrgica, onde a inibição de colônias de infecção deve ser suprimida.

[0022] Essa vantagem também pode ser implantada usando partículas nanoativas como um tratamento médico para doenças pulmonares, como pneumonia, fibrose cística e tuberculose nos pulmões, onde as partículas de pó podem residir no tecido pulmonar infectado e podem mitigar a infecção, enquanto os compostos antibióticos tóxicos solúveis são prontamente absorvidos na corrente sanguínea, exigindo altas doses, com impactos adversos no paciente.

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[0023] Em aplicações para revestimentos marinhos, partículas nanoativas não tóxicas podem ser aplicadas em combinação com os melhores materiais tóxicos disponíveis, onde os benefícios são aumentar a vida útil do revestimento e reduzir a liberação de tais materiais para o ambiente marinho.

[0024] Em aplicações, para a prevenção de doenças na agricultura, aquicultura e medicina, o tratamento com partículas nanoativas pode fazer parte de um programa de gerenciamento de doenças em que as partículas nanoativas podem ser aplicadas para suprimir o crescimento de bactérias patogênicas e se a pressão da doença, no entanto, aumentar até o ponto de eclosão da doença, antibióticos podem então ser aplicados. O benefício é a redução do uso de antibióticos e o retardo no aumento da resistência.

[0025] Uma outra vantagem pode incluir uma característica de que os materiais podem ser usados que proveem uma maior eficácia de controle pela geração de uma ruptura de ROS em contato com biofilmes e, especificamente, a uma taxa de dose mais alta que uma partícula nanoativa equivalente com ROS armazenado.

[0026] A presente invenção aqui descrita pode abordar ou melhorar pelo menos uma das aplicações ou vantagens acima mencionadas.

MEIOS PARA RESOLVER O PROBLEMA

[0027] Uma característica comum da maioria dos microrganismos patogênicos é sua capacidade de formar biofilmes. Na batalha entre células eucarióticas e patógenos, a matriz do biofilme torna-se ácida, impulsionada pelo metabolismo do patógeno para produzir energia, por exemplo, pela quebra de açúcares. Mais geralmente, a liberação de um biofilme ácido por um patógeno está relacionada ao crescimento de uma colônia patogênica.

[0028] De um modo preferido, a acidez de tal biofilme de uma colônia crescente de patógenos é usada para desencadear a liberação de uma ruptura de ROS de uma partícula nanoativa, que então suprime o crescimento da colônia de microrganismos e, assim, inibe o surto de doença. Este é um

8 / 18 modo de inibição, de forma que o material seja minimamente consumido quando o biofilme estiver inativo.

[0029] Em um primeiro aspecto da presente invenção, pode ser direcionado a um método de produção de um material em pó que cria uma ruptura de ROS para inibir a doença.

[0030] Em um segundo aspecto da presente invenção pode ser direcionado a um pó de óxido de metal e semimetal que, quando aplicado a um ambiente, inibe o crescimento de colônias de microrganismos, em que o pó inclui partículas compreendendo uma distribuição de tamanho de partícula entre 0,1 a 100 mícrons, que são formulados como um composto de alta área superficial poroso fortemente ligado de grãos em nanoescala de materiais que têm menos do que cerca de 10-4% de espécies de radicais livres em peso, e em que o pó está adaptado para liberar ROS estourando quando as partículas entrar em contato com um microrganismo

[0031] De um modo preferido, a distribuição de tamanho de partícula está entre 1 a 20 mícrons. Os microrganismos podem prover um biofilme e a acidez do biofilme desencadeia a liberação da ruptura de ROS que, então, suprime o crescimento dos microrganismos.

[0032] O pó preferido pode ser adaptado para ser usado em um dos seguintes ambientes: um ambiente marinho, um ambiente de coroa de esgoto, uma planta, um animal ou um ser humano.

[0033] De um modo preferido, os microrganismos são selecionados de um dos seguintes grupos: vírus, bactérias, fungos ou larvas de insetos.

[0034] De um modo preferido, o óxido de metal é selecionado de um dos seguintes óxidos: AgO, ZnO, MgO, CuO, SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3 e Mn3O4; e em que o respectivo íon positivo é selecionado para prover nutrientes ao ambiente selecionado.

[0035] O pó preferido pode incluir MgO e o pó aumenta a inibição do crescimento de microrganismos pela supressão de sulfureto de hidrogênio,

9 / 18 amônia e fósforo gerados pelos microrganismos.

[0036] De um modo preferido, o pó inclui menos de 1% da quantidade máxima de espécies radicais em peso e em que o pó é gerado por recozimento do pó não processado a uma temperatura de calcinação dentro da faixa de 400 a 800°C.

[0037] O pó preferido inclui menos de 1% da quantidade máxima de espécies de radicais em peso e em que o pó é gerado por hidratação do pó não processado em ácido cítrico 0,01M.

[0038] De um modo preferido, o pó inclui as seguintes características: a. uma porosidade das partículas está na faixa de 0,3 a 0,5; e b. uma área de superfície específica está na faixa de 75 a 300 m2/g; e c. um tamanho médio de grão do pó está na faixa de 5-20 nm; e d. uma força distinguida por uma alta resistência à trituração atribuída à ligação de grãos no compósito por pescoços com tamanho inferior a cerca de 1 nm e um módulo de Young de 5% daquele do material a granel equivalente.

[0039] O pó preferido pode ser produzido por calcinação a uma temperatura na gama de 400 a 800°C e depois temperado.

[0040] O pó preferido pode ser adaptado para uso em um revestimento marinho que inibe o crescimento de microrganismos no revestimento.

[0041] De um modo preferido, o pó pode ser um componente de um revestimento aplicado a coroas de esgoto que inibe o crescimento de bactérias oxidantes do enxofre.

[0042] Em um terceiro aspecto, a presente invenção fornece um pó de óxido compreendendo partículas calcinadas de tamanho mícron, em que as propriedades nanoativas são induzidas nas partículas durante o processo de

10 / 18 calcinação, e em que as espécies reativas de oxigênio (ROS) presentes na superfície das partículas nanoativas são geradas em um modo de ruptura disparado quando as partículas calcinadas entram em contato com um microrganismo patogênico.

[0043] As partículas calcinadas de um modo preferido compreendem cristais tensos formados durante o processo de calcinação para armazenar energia na estrutura do cristal.

[0044] A energia armazenada na estrutura cristalina das partículas é de um modo preferido liberada para formar a ruptura de espécies reativas de oxigênio quando as partículas são contatadas por espécies de ácido H3O+ de um biofilme ativo associado ao microrganismo patogênico.

[0045] O óxido pode ser selecionado a partir do grupo que compreende: AgO, ZnO, MgO, CuO, SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3 e Mn3O4 ou misturas dos mesmos. As espécies reativas de oxigênio podem ser selecionadas a partir do grupo que compreende: peróxido de hidrogênio, superóxido ou radicais peróxi.

[0046] Em uma modalidade preferida, as partículas calcinadas têm um diâmetro médio aproximado de entre 1 a 10 mícrons. O pó é de um modo preferido produzido por calcinação a uma temperatura dentro da faixa de 400 a 800°C por um período de tempo de menos de 30 segundos e então extinto após calcinação.

[0047] No contexto da presente invenção, as palavras “compreende”, “compreendendo” e semelhantes devem ser interpretadas em seu sentido inclusivo, em oposição ao seu sentido exclusivo, isto é, no sentido de “incluindo, mas não limitado a”.

[0048] A invenção deve ser interpretada com referência a pelo menos um dos problemas técnicos descritos ou relacionados com a técnica anterior. O presente visa resolver ou melhorar pelo menos um dos problemas técnicos e isso pode resultar em um ou mais efeitos vantajosos, conforme definido por

11 / 18 esta especificação e descrito em detalhes com referência às modalidades preferidas da presente invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0049] As modalidades da invenção serão melhor compreendidas e prontamente evidentes para aqueles versados na técnica a partir da seguinte descrição escrita, apenas a título de exemplo, e em conjunto com os desenhos, nos quais:

[0050] A Figura 1 ilustra um esquema de uma modalidade que ilustra uma partícula nanoativa interagindo com o biofilme exsudado por uma microcolônia de microrganismos patogênicos. Na Figura 1A, a ilustração mostra o contato inicial da partícula com o biofilme e suas bactérias ativas, e a Figura 1B mostra a decomposição da partícula por meio da reação da água ácida no biofilme e a liberação de ROS no filme e sua difusão nas células ativas do biofilme, e a Figura 1C mostra a partícula parcialmente decomposta na presença das células desativadas.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0051] As modalidades preferidas da invenção serão agora descritas com referência aos desenhos anexos e aos exemplos não limitativos. É enfatizado que o mecanismo descrito pela modalidade da Figura 1 para o caso de biofilmes de bactérias é semelhante às modalidades de colônias de vírus, fungos anaeróbicos e larvas de insetos-praga.

[0052] Em uma primeira modalidade preferida da presente invenção, um exemplo utilizado para descrever a invenção é a interação de uma partícula nanoativa 101 com um biofilme. Os biofilmes têm uma estrutura característica que consiste em microcolônias bacterianas encerradas em uma matriz hidratada de proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos produzidos microbianamente. As células bacterianas em um biofilme são significativamente mais resistentes a estresses ambientais ou substâncias microbialmente deletérias, como antibióticos e biocidas, do que células

12 / 18 planctônicas. O desenvolvimento de um biofilme envolve a fixação reversível de células bacterianas a uma superfície, seguida pela fixação irreversível mediada pela formação de material exopolimérico, a seguir a formação de microcolônias e o início da maturação do biofilme. Durante a maturação, uma estrutura tridimensional contendo células acondicionadas em aglomerados com canais entre os aglomerados que permitem o transporte de água e nutrientes e a remoção de resíduos e, por último, as células se destacam e se dispersam para iniciar a formação de novo biofilme. A Figura 1 descreve o caso em que a partícula nanoativa 101, de um modo preferido produzida por calcinação flash e extinção descrita abaixo, interage com a matriz de exopolímero em crescimento 102 exsudada das células bacterianas 103-106.

[0053] A partícula nanoativa pode ser um material de óxido de metal, tal como MgO, e geralmente e de um modo preferido de 1-10 mícrons de tamanho e é semelhante em tamanho às células bacterianas. O material é de um modo preferido feito usando o processo de calcinação flash e têmpera flash descrito por Sceats et. al. em que um material precursor, compreendendo constituintes voláteis de cerca de 30-60% em peso, é aquecido rapidamente em um reator a uma temperatura na qual a decomposição ocorre tão rapidamente e em uma temperatura tão baixa quanto possível para produzir o óxido de metal poroso, e então rapidamente resfriado para evitar sinterização. Nesta modalidade, as condições de reação são otimizadas de modo que os grãos do óxido de metal sejam constituídos por cristais que são altamente tensionados. Tal deformação pode ser observada pelo deslocamento de picos de difração de raios-X característicos daqueles de um material recozido com a mesma composição química. As linhas de difração são ampliadas pelo pequeno número de células cristalinas nos grãos e também pelos gradientes de deformação nas células dos grãos. A energia do estresse é armazenada na partícula e mais tarde usada para criar as espécies ROS. Uma consequência importante é que a energia da deformação da rede na partícula não é liberada

13 / 18 durante o processo de produção pela formação de vacâncias de oxigênio, mas sim, a energia é armazenada nas partículas são liberadas para formar espécies ROS quando a partícula é atacada por a espécie ácida de um biofilme ativo.

[0054] A condição para esse processo é a minimização da temperatura do processo de calcinação e a minimização do tempo de residência nessa temperatura, de forma que o deslocamento de um átomo de oxigênio no interior do grão não seja ativado durante o processo de produção. O alcance desse critério é a medição de espécies paramagnéticas usando espectroscopia de ressonância paramagnética de elétrons (EPR), porque a ejeção de um átomo de oxigênio para formar uma vacância de oxigênio de dentro do grão geralmente deixa para trás um elétron no local de vacância, como um centre paramagnético em F, e o íon de oxigênio ejetado O- é ligado à superfície do grão como um centro paramagnético em V. O critério é alcançado se o sinal EPR característico dessas espécies não for observado. Para evitar dúvidas, o produto pode ser aquecido e o espectro EPR característico é observado durante a sinterização subsequente da partícula. Essa sinterização também é caracterizada pela redução da área superficial dos grãos, medida pela área superficial específica do material (em m2/g), e um estreitamento das linhas de difração de raios X à medida que a deformação é aliviada e os grãos crescer. Em resumo, a tecnologia de processo de calcinação/têmpera flash é operada para minimizar a liberação de estresse e a produção mínima de espécies paramagnéticas nas partículas de material nanoativo. Tais condições de operação são geralmente diferentes para diferentes materiais precursores porque a energética para decomposição do precursor e ativação da geração de vacâncias de oxigênio são diferentes. A temperatura de calcinação é de um modo preferido 50ºC, ou mais de um modo preferido 10ºC acima da temperatura de equilíbrio da reação de decomposição do precursor às pressões do gás volátil, que são tão baixas quanto praticamente possível para um processo industrial.

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[0055] O biofilme 102 é geralmente de natureza ácida, onde o baixo pH surge da conversão de açúcares pelas bactérias em energia para formar o biofilme. Este pH pode estar na faixa de 4,5-6,5 em um biofilme ativo, em comparação com cerca de 7,0 para um biofilme quiescente. O óxido de metal possui um pKb que depende da composição química. Por exemplo, o de MgO é cerca de 10,4. Possui baixa solubilidade em água neutra e baixa taxa de dissolução à temperatura ambiente. No entanto, a taxa de reação acelera quando o pH é ácido e, como consequência, o pó de MgO neutraliza o ácido inicialmente pela formação de Mg (OH)2. A invenção aqui descrita está associada à observação de que o ataque do pó pelo ácido causa a formação das espécies centrais de radicais F e V, conforme observado pelo crescimento do espectro EPR característico de tais espécies conforme a partícula reage. Sem estar limitado pela teoria, é aparente que a reação com H+ induz um relaxamento de tensão dos grãos do óxido de metal à medida que a estrutura do cristal muda da forma de óxido para a forma de hidróxido. Isso não é inesperado porque as estruturas cristalinas do óxido são geralmente diferentes das do hidróxido, de modo que o transporte de oxigênio é necessário para permitir a mudança de fase. A alta tensão do cristal de óxido promove a taxa de reconstrução da rede.

[0056] Está bem estabelecido que a reação dos centros F e V com a água leva à produção de ROS. Na verdade, a técnica de EPR pode ser usada para quantificar a concentração de espécies de ROS na partícula, pelo uso de spin traps, como DPPO em H2O2, que forma espécies radicais estáveis com um espectro de EPR característico quando ROS está presente. Mais significativamente, a concentração de ROS observada na reação de um pó de óxido é superior à observada no mesmo material que foi completamente hidratado, por exemplo, por hidratação rápida a uma temperatura mais elevada. Sem ser limitado pela teoria, o material hidróxido é um carreador de ROS que é armazenado no pó de hidróxido, enquanto o material óxido gera

15 / 18 ROS quando é hidratado in situ sob ataque do ácido do biofilme, e neste caso, a liberação de ROS é quantitativamente maior do que as ROS armazenadas porque a recombinação radical que geralmente ocorre para diminuir as ROS compete com a difusão para fora das ROS para atacar as estruturas nas células bacterianas, o que desativa a geração de ácido. Com efeito, o ácido das células bacterianas ativas que fazem biofilme desencadeia a liberação de ROS, que desliga a geração de biofilme. Isso é denominado uma ruptura de ROS porque imita a resposta de ruptura de ROS de uma célula eucariótica à presença de biofilme exsudado por patógenos. A concentração de ROS na partícula medida por medições de armadilha de rotação EPR é de um modo preferido da ordem de micromolar, que é a mesma ordem de magnitude encontrada na ruptura de ROS de células eucarióticas. Este é um fator importante porque concentrações mais altas de ROS atacariam as estruturas em tais células. Isso pode ser controlado pelas condições do processo e pela taxa de aplicação para reduzir a infecção de modo que o estouro de ROS tenha intensidade suficiente para desligar as células bacterianas, mas intensidade insuficiente para danificar as células eucarióticas de animais e plantas. Nessas condições, o material não é tóxico para animais e plantas, ao mesmo tempo que inibe doenças.

[0057] Observa-se que H2O2 é um constituinte volátil de ROS, e a presença de H2O2 no ar perto de um biofilme ou de uma superfície parcialmente hidratada de uma partícula nanoativa pode inibir o ataque de pragas de insetos. Além disso, qualquer supressão de H 2S ou NH3 de um biofilme inibido pelo material nanoativo também pode ser fator de sinalização para a inibição de pragas.

[0058] Assim, voltando para a Figura 1 como um exemplo de modalidade. Este é um esquema da evolução de um sistema no qual uma partícula 101 nanoativa, altamente tensionada, normalmente um dímero de 1- 20 mícrons em um meio aquoso 102, torna-se inicialmente envolvida (A) com

16 / 18 um biofilme 103 em torno da bactéria 104-107. As bactérias são ativas, por exemplo, criando biofilme adicional e exsudam ácido, representado como H3O+ no biofilme a partir de processos de síntese como mostrado em (B) e há um fluxo de ácido que se move em direção à partícula alcalina que hidrata e neutraliza o ácido, como mostrado esquematicamente por uma camada fina 108 que corrói a partícula. A transformação da partícula de um agregado de grãos cristalinos de óxido de metal em um agregado de grãos cristalinos ou amorfos hidratados exigiu um rearranjo atômico e, neste caso, os átomos de oxigênio são ejetados do óxido para formar espécies radicais, como os centros F e V descrito anteriormente. Essas espécies radicais reagem com água na camada 108 para gerar espécies ROS, como o radical hidroxila, ∙OH, peróxido de hidrogênio H2O2 e íons superóxido ∙O2- e estes se difundem na camada aquosa e no biofilme, e um fluxo de movimentos ROS em direção e para dentro das bactérias onde reagem e começam a desligar o mecanismo de geração de energia das bactérias. Como consequência, o sistema evolui para (D) onde as bactérias 104X-107X se tornaram quiescentes (ou mortas), e a ausência do ácido no biofilme retarda a reação de hidratação e a geração de ROS, como mostrado em D de modo que o consumo da partícula nanoativa 101 diminui após ter consumido uma quantidade da partícula 108X ao reagir com o ácido e produzir ROS. O resultado dessas reações consome a partícula (não mostrado) através da liberação de íons Mg2+ na solução para equilibrar a carga da neutralização e geração de RO. Na realidade, as reações geralmente ocorrem em toda a partícula porosa. O efeito final é que o pó nanoativo extinguiu a formação de biofilme neste exemplo de modalidade, de modo que a doença é inibida. Ressalta-se que a inibição não precisa necessariamente matar as bactérias como faria com um verdadeiro bactericida químico tóxico, para que as bactérias e as células eucarióticas (se presentes) possam coexistir.

[0059] Seria apreciado por um versado na técnica que a interação entre as células de animais e plantas com várias doenças de microrganismos e

17 / 18 insetos é muito complexa e tem evoluído ao longo do tempo com uma ampla variedade de respostas, incluindo biofilmes e matrizes extracelulares, incluindo o envolvimento de ROS conforme descrito acima. Assim, o exemplo de modalidade da Figura 1 é um exemplo de como uma partícula nanoativa pode interagir com um patógeno, incluindo vírus, bactérias e fungos. É apreciado por pessoas versadas na técnica que há uma hierarquia de complexidade nas estruturas de tais microrganismos que levam a uma imagem mais complexa do que a descrita na Figura 1.

[0060] A abordagem geral descrita na modalidade particular se aplica a uma grande variedade de óxidos de metal e semimetal, incluindo AgO, ZnO, CuO, MgO, SiO2, Al2O3, Mn3O4 e outros. Os precursores particulares podem ser carbonatos, hidróxidos, aminas e óxidos hidratados. Os materiais nanoativos podem ser produzidos como óxidos tensos de várias maneiras a partir de precursores, incluindo calcinação instantânea e extinção, e os centros de defeito paramagnéticos podem ter diferentes taxas de hidratação, equilíbrio de pH e energias de ativação para a formação de espécies radicais por mecanismos semelhantes ao oxigênio deslocamento do átomo descrito acima.

[0061] No caso de MgO, as partículas de MgO nanoativas tensas podem ser formadas a partir de carbonato de magnésio por calcinação instantânea e extinção, e o ROS é gerado durante a reação de hidratação. Foi estabelecido que o MgO residual, ou Mg(OH)2 pode desempenhar outras funções no processo. Por exemplo, como um álcali, as partículas alteram o pH local de forma a minimizar a formação deH2S, uma toxina conhecida, a partir da decomposição de materiais, tais como proteínas. Além disso, o MgO poroso é conhecido por extrair fósforo através da formação de fosfatos de magnésio, e fósforo e amônia a partir da formação de estruvita, MgNH4PO4.6H2O. No contexto dos biofilmes, esses processos podem ocorrer após a produção de ROS a partir da hidratação do MgO, podendo promover um ecossistema favorável ao sistema. É geralmente aceito que organismos

18 / 18 anaeróbicos e aeróbicos e microrganismos sobrevivem juntos em tais sistemas em uma relação simbiótica. Assim, a ligação entre a distribuição de tamanho de partícula, geração de ROS, grau de hidratação, solubilidade e consumo de partícula, alcalinidade, inibição de H2S, fosfato e produção de estruvita são complexas. Neste contexto, as partículas de um MgO de área superficial alta inicialmente porosa aceleram reações e podem atuar como núcleos para acelerar a formação de materiais, como a estruvita, que de outra forma requerem a semeadura com núcleos de estruvita para induzir a precipitação, ou a precipitação ocorre em condições anormais tais como gradientes de pressão em curvas que formam filmes de estruvita em curvas de tubos em reatores como digestores.

[0062] Apesar dessas complexidades, observa-se que há um aumento substancial na eficácia do controle de patógenos entre as partículas de formulações que foram minimamente hidratadas antes da inoculação, em comparação com as partículas que foram totalmente hidratadas antes da inoculação, onde todas as outras variáveis são substancialmente as mesmas. Esse impacto nesta invenção é atribuído à capacidade de uma partícula de óxido de metal tensionada para liberar uma ruptura de ROS na presença de microrganismos ativos em uma concentração de ROS mais alta do que as partículas com ROS armazenadas formadas por hidratação prévia.

[0063] Outras formas da invenção serão evidentes a partir da descrição e dos desenhos.

[0064] Embora a invenção tenha sido descrita com referência a exemplos específicos, será apreciado por aqueles versados na técnica que a invenção pode ser realizada em muitas outras formas de acordo com os princípios gerais e o espírito da invenção aqui descritos.

[0065] A presente invenção e as modalidades preferidas descritas incluem especificamente pelo menos uma característica que é aplicável industrialmente.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Pó de óxido de metal ou semimetal para inibir o crescimento de colônias de microrganismos, caracterizado pelo fato de que o pó inclui partículas compreendendo uma distribuição de tamanho de partícula entre 0,1 a 100 mícrons, que são formuladas como um compósito fortemente ligado, poroso, de grãos em nanoescala de materiais, em que os grãos têm uma área superficial de 75 a 300 m2/g e que têm menos de cerca de 10-4% de espécies de radicais livres em peso, e em que o pó está adaptado para liberar espécies reativas de oxigênio (ROS) que se rompem quando as partículas entram em contato com um microrganismo, o pó compreendendo adicionalmente partículas calcinadas compreendendo cristais tensionados formados durante o processo de calcinação para armazenar energia na estrutura cristalina, a energia sendo utilizada para criar espécies reativas de oxigênio (ROS); e em que o pó inclui menos do que 1% da quantidade máxima de espécies de radical em peso, e o pó é hidratado em 0,01M de ácido cítrico de tal modo que o deslocamento de um átomo de oxigênio dentro da partícula não seja ativado durante o processo de produção.

2. Pó de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a distribuição de tamanho de partícula está entre 1 a 20 mícrons.

3. Pó de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os microrganismos incluem um biofilme e em que a acidez do biofilme desencadeia a liberação da ruptura de ROS que, então, suprime o crescimento dos microrganismos.

4. Pó de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o pó é adaptado para ser usado em um dos seguintes ambientes: um ambiente marinho, um ambiente de coroa de esgoto, uma planta, um animal ou um ser humano.

5. Pó de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os microrganismos são selecionados de um do seguinte grupo:

vírus, bactérias, fungos ou larvas de insetos.

6. Pó de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o óxido de metal é selecionado a partir de um dos seguintes óxidos: AgO, ZnO, CuO, MgO, SiO2, Al2O3, Mn3O4; e em que o respectivo íon positivo é selecionado para prover nutrientes ao ambiente selecionado.

7. Pó de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o pó inclui MgO e o pó inibe o crescimento do microrganismo pela supressão de sulfeto de hidrogênio, amônia e fósforo produzidos pelos microrganismos.

8. Pó de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o pó inclui menos de 1% da quantidade máxima de espécies de radicais em peso e em que o pó é calcinado a uma temperatura de calcinação na faixa de 400 a 800oC.

9. Pó de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o pó inclui as seguintes características: uma porosidade das partículas está na faixa de 0,3 a 0,5; e uma área de superfície específica está na faixa de 75 a 300 m2/g; e um tamanho médio de grão do pó está na faixa de 5-20 nm; e uma força distinguida por uma alta resistência à trituração atribuída à ligação de grãos no compósito por pescoços com tamanho inferior a cerca de 1 nm e um módulo de Young de 5% daquele do material a granel equivalente.

10. Pó de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o pó é produzido por calcinação a uma temperatura na faixa de 400 a 800oC.

11. Pó de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o pó é adaptado para uso em um revestimento marinho que inibe o crescimento de microrganismos no revestimento.

12. Pó de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o pó é um componente de um revestimento aplicado a coroas de esgoto que inibe o crescimento de Bactérias Oxidantes de Enxofre.

13. Pó de óxido, caracterizado pelo fato de que compreende partículas calcinadas de tamanho mícron, em que as propriedades nanoativas são induzidas nas partículas durante o processo de calcinação, e em que as espécies reativas de oxigênio (ROS) presentes na superfície das partículas nanoativas são geradas em um modo de ruptura disparado quando as partículas calcinadas entram em contato com um microrganismo patogênico, em que as partículas calcinadas compreendem cristais tensionados formados durante o processo de calcinação para armazenar energia na estrutura cristalina, a energia sendo utilizada para criar espécies reativas de oxigênio (ROS); e em que o pó inclui menos do que 1% da quantidade máxima de espécies de radical em peso, e o pó é hidratado em 0,01M de ácido cítrico de tal modo que o deslocamento de um átomo de oxigênio dentro da partícula não seja ativado durante o processo de produção.

14. Pó de óxido de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a energia armazenada na estrutura cristalina das partículas é liberada para formar a ruptura de espécies reativas de oxigênio quando as partículas são contactadas por espécies de ácido H3O+ de um biofilme ativo associado ao microrganismo patogênico.

15. Pó de óxido de acordo as reivindicações 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que o óxido é selecionado do grupo que compreende: AgO, ZnO, CuO, MgO, SiO2, Al2O3, Mn3O4 ou misturas dos mesmos.

16. Pó de óxido de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, caracterizado pelo fato de que a espécie reativa de oxigênio é selecionada a partir do grupo que compreende: peróxido de hidrogênio, superóxido ou radicais peróxi.

17. Pó de óxido de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 16, caracterizado pelo fato de que as partículas calcinadas têm um diâmetro médio aproximado de entre 1 a 10 mícrons.

18. Pó de óxido de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 17, caracterizado pelo fato de que o pó é produzido por calcinação a uma temperatura dentro da faixa de 400 a 800oC por um período de tempo de menos de 30 segundos e então extinto após calcinação.