Fracionamento de proteínas do soro de leite usando hidroxiapatita

Abstract

Neste estudo, analisou-se o comportamento de adsorção de proteínas ácidas e básicas, como a albumina sérica bovina (BSA) e a lactoferrina (Lf), em hidroxiapatitas (HA) sinterizadas a diferentes temperaturas. A pesquisa focou-se não apenas na capacidade de adsorção dessas proteínas, mas também nos mecanismos que controlam esse processo, com uma ênfase especial na caracterização estrutural e morfológica da HA, que desempenha um papel fundamental na interação proteína-superfície. A caracterização das amostras de HA incluiu técnicas como difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise de área de superfície específica por adsorção de nitrogênio (BET). A DRX revelou que, com o aumento da temperatura de sinterização, ocorre um aumento da cristalinidade da HA e crescimento dos cristais, o que resulta em uma diminuição na área de superfície específica e um aumento no tamanho dos poros. Essas modificações estruturais impactam diretamente na adsorção de proteínas: as amostras sinterizadas a 1000°C (HAS10) apresentaram uma superfície menos porosa, favorecendo a adsorção seletiva da lactoferrina, uma proteína básica com pI elevado (~8,7), especialmente em pH 5, onde a proteína é carregada positivamente, promovendo interações eletrostáticas com a superfície negativamente carregada da HA. Por outro lado, as amostras de HA sinterizadas a temperaturas mais baixas (HA E0 e HAS5) mantiveram uma área de superfície específica maior, com uma porosidade mais acentuada, o que favoreceu a adsorção da BSA, uma proteína ácida com pI de 4,7. A maior área de superfície nessas amostras permitiu um maior contato entre a BSA e a superfície da HA, facilitando a adsorção em condições próximas ao seu ponto isoelétrico, onde as interações eletrostáticas são minimizadas. Os estudos cinéticos revelaram que o modelo de pseudo-segunda ordem foi o mais adequado para descrever a adsorção de ambas as proteínas, indicando que o processo é predominantemente controlado por interações químicas específicas. A análise da difusão intrapartícula indicou uma contribuição menor ao processo geral de adsorção, especialmente para a BSA, cuja adsorção dependeu mais das características morfológicas e da área de superfície das amostras de HA. Este trabalho fornece insights importantes sobre como a modificação das propriedades estruturais da hidroxiapatita, controlada pela temperatura de sinterização, pode ser utilizada para otimizar a adsorção seletiva de proteínas com diferentes características de carga. Esses resultados têm implicações práticas para o desenvolvimento de novos biomateriais, com aplicações em purificação de proteínas, sistemas de liberação controlada de fármacos e engenharia de tecidos. A pesquisa futura deve explorar a interação de uma gama mais ampla de proteínas com hidroxiapatitas de diferentes composições e morfologias, além de investigar o impacto de outras variáveis de processamento na adsorção de biomoléculas em escala industrial. Palavras-chave: Adsorção. Hidroxiapatita. Lactoferrina. Albumina. Caracterização.In this study, the adsorption behavior of acidic and basic proteins, such as bovine serum albumin (BSA) and lactoferrin (Lf), on hydroxyapatites (HA) sintered at different temperatures was investigated. The research focused not only on the adsorption capacity of these proteins but also on the mechanisms governing this process, with special emphasis on the structural and morphological characterization of HA, which plays a crucial role in protein-surface interaction. The characterization of HA samples included techniques such as X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and specific surface area analysis by nitrogen adsorption (BET). XRD revealed that increasing the sintering temperature led to greater HA crystallinity and crystal growth, resulting in a reduction in specific surface area and an increase in pore size. These structural changes directly impacted protein adsorption: samples sintered at 1000°C (HAS10) exhibited a less porous surface, favoring the selective adsorption of lactoferrin, a basic protein with a high isoelectric point (pI ~8.7), particularly at pH 5, where the protein carries a positive charge, promoting electrostatic interactions with the negatively charged HA surface. Conversely, HA samples sintered at lower temperatures (HAE0 and HAS5) retained a larger specific surface area and more pronounced porosity, which enhanced the adsorption of BSA, an acidic protein with a pI of 4.7. The larger surface area in these samples enabled greater contact between BSA and the HA surface, facilitating adsorption near its isoelectric point, where electrostatic interactions are minimized. Kinetic studies revealed that the pseudo-second- order model best described the adsorption of both proteins, indicating that the process is predominantly controlled by specific chemical interactions. Intraparticle diffusion analysis indicated a minor contribution to the overall adsorption process, particularly for BSA, whose adsorption depended more on the morphological characteristics and surface area of the HA samples. This work provides important insights into how the modification of hydroxyapatite's structural properties, controlled by sintering temperature, can be used to optimize the selective adsorption of proteins with different charge characteristics. These findings have practical implications for the development of new biomaterials, with applications in protein purification, controlled drug delivery systems, and tissue engineering. Future research should explore the interaction of a wider range of proteins with hydroxyapatites of different compositions and morphologies, and investigate the impact of other processing variables on the adsorption of biomolecules at an industrial scale. Keywords: Adsorption. Hydroxyapatite. Lactoferrin. Albumin. Characterization.