Diferentemente do processo sol gel, a funcionalização no método grafting (ou enxerto) é realizada através da reação com a superfície de uma matriz pré- formada, levando a formação de fases orgânicas quimicamente ligadas e homogeneamente dispersas na superfície. O material pré-fabricado e/ou natural não modificado deve ser submetido em reações de funcionalização, em que é explorada a reatividade de sua superfície frente aos grupos reativos das moléculas de interesse
Com efeito, no caso de materiais com superfícies hidroxiladas, como alumina, carvão ativo, sílica e silicatos mesoporosos, celulose, e argilominerais, por exemplo, a reatividade será controlada pela densidade de grupos silanóis superficiais disponíveis, além dos aspectos morfológicos e topográficos da superfície do material suporte, bem como da natureza da molécula reagente (SUTRA et al. 1999).
A principal vantagem da funcionalização por enxerto está relacionada à boa reprodutibilidade dos derivados obtidos em relação àqueles preparados via processo sol gel. Contudo, o grau de funcionalização por enxerto geralmente é bem mais baixo comparado à funcionalização pelo método sol gel. Isso se deve ao fato de que a formação de fases organofuncionalizadas na matriz inorgânica, durante o processo de policondensação hidrolítica, é independente da disponibilidade de silanóis superficiais. Por outro lado, na organofuncionalização por enxerto, o grau de recobrimento com as moléculas orgânicas incorporadas ao suporte é dependente da disponibilidade de silanóis reativos, que é função do tratamento térmico dado à superfície da matriz inorgânica que contêm esses grupos silanóis (ZHURAVLEV, 2000).
Tal como no método sol gel, na preparação de materiais a base de sílica e silicatos organicamente modificados pelo método grafting, utilizam-se comumente moléculas do tipo agente sililante para promover reações de silanização na superfície dos suportes. Porém, antes deste procedimento, muitas vezes é necessária uma etapa de pré-tratamento que envolve a eliminação de pequenas impurezas orgânicas e/ou minerais, como também a desidratação da superfície por eliminação de moléculas de água fisicamente adsorvidas, mediante aquecimento e vácuo (ARAKAKI et al. 2004).
Assim, depois de pré-tratado, o material suporte segue para etapa de silanização com organosilanos, a qual ocorre através da reação entre grupos reativos do
tipo alcoxi (metoxi, etoxi) presentes em alcoxissilanos mono, bi ou trifuncionais e os silanóis superficiais da matriz inorgânica. O material resultante contém cadeias orgânicas covalentemente pendentes no suporte através de ligações do tipo ≡Si-O-Si-R, sendo hidrolíticas e termicamente estáveis, em que R representa uma cadeia orgânica contendo um grupo funcional específico. A Figura 12 ilustra alguns exemplos de organofuncionalização por grafting, em materiais a base de sílica, através de reações de silanização com organosilanos trifuncionais.
Figura 12. Representação esquemática de reações de funcionalização por grafting com organosilanos
trifuncionais em superfície de sílica.
A preparação de superfícies organicamente modificadas por enxerto é muito atrativa quando se pretende imobilizar lipases a partir de um suporte natural e abundante, ou sinteticamente pré-formado, comercialmente disponível e relativamente barato. Desde que tais materiais sejam resistentes mecanicamente e ao ataque microbiológico, porém passíveis de manipulações químicas de interesse à imobilização de lipases, a ativação por enxerto torna-se uma excelente estratégia para imobilizar física ou quimicamente os biocatalisadores, tornando possível a formação de sistemas enzimáticos cataliticamente estáveis.
Nessa direção, Sörensen et al. (2010), utilizando sílicas mesoporosas organofuncionalizadas por grafting, demonstrou que a lipase de Thermomyces lanuginosus imobilizada em superfície hidrofobicamente ativada apresentou maior atividade específica em relação ao suporte hidrofílico e atribuiu o melhor desempenho
do material hidrofóbico à ativação interfacial da enzima quando imobilizada na superfície hidrofóbica.
Suportes ativados com grupos oxirano (anel epóxi) têm sido muito utilizados para imobilização covalente de lipases através de ligações multipontuais com grupos reativos superficiais das enzimas (TORRES-SALAS et al. 2011). Esse tipo de sistema é capaz de fornecer ligações muito efetivas com as biomoléculas, uma vez que os grupos epóxi podem reagir com diferentes grupos nucleofílicos da proteína (-NH2, -
OH, -SH), especialmente com grupos amino superficiais, gerando biocatalisadores imobilizados muito estáveis e robustos (MATEO et al. 2003). A Figura 13 ilustra um esquema de preparação de um suporte ativado com grupos epóxi por reações de enxerto e o subsequente ataque covalente de uma enzima.
Figura 13. Funcionalização com organosilano epoxi (a) pelo método grafting (enxerto) de uma superfície
de suporte hidroxilada, seguido de um ataque (b) multipontual da enzima.
Alternativamente, é possível introduzir espaçadores, como o glutaraldeído, através de reações de enxerto, os quais vão atuar como reagentes de acoplamento para imobilizar enzimas covalentemente. Nesses casos, primeiramente a superfície do material suporte pode ser funcionalizada com um agente modificador que reage com a superfície do material, e em seguida um grupo funcional incorporado com o agente modificador pode se ligar com um agente de acoplamento, sendo este último reativo frente às enzimas, como mostra a Figura 14.
(a)
Figura 14. Ativação de suporte por enxerto para imobilização de enzima. Na reação (a) ocorre o
ancoramento do agente modificador aminosilano, seguido da funcionalização com agente de acoplamento bifuncional (glutaraldeído). Em (b) ocorre o ataque covalente da enzima.
Esse procedimento de enxerto com espaçadores é uma forma eficiente de ativar um suporte para imobilizar lipases, uma vez que, além de permitir a interação com enzimas através de ligações covalentes, também minimiza possíveis efeitos estéricos e/ou outras interações indesejáveis com o suporte (G. OZYILMAZ, 2009; GODDARD; HOTCHKISS, 2007).