O presente trabalho foca-se no desenvolvimento de nanomateriais de carbono capazes de mimetizar, em termos de especificidade e eficiência catalítica, enzimas que integram o sistema de defesa antioxidante das células. Para abordar este desafio utilizaram-se nanomateriais hidrossolúveis, gerados eletroquimicamente num ânodo de grafite sob polarização galvanostática (NHC – nanomateriais hidrofílicos de carbono). A estratégia adotada para modular as propriedades de oxidação-redução dos NHC envolveu a modificação da composição química do eletrólito utilizado na síntese. O eletrólito utilizado na síntese eletroquímica revelou ter um forte impacto nas características estruturais, morfológicas e químicas dos nanomateriais, em particular no grau de oxidação do nanomaterial. Com base no comportamento voltamétrico das soluções de nanomateriais, tal como são sintetizados, selecionaram-se quatro populações distintas de materiais, agrupadas em duas classes: a) nanomateriais preparados no estado oxidado com potencial redox formal semelhante aos dos centros catalíticos da enzima nativa SOD (preparados em solução-tampão fosfato); b) nanomateriais preparados no estado reduzido, com capacidade de promover a redução do O2 •− e H2O2 (preparados em soluções-tampão citrato, malato ou tartarato). Demonstrou-se que os nanomateriais que apresentam carácter oxidante (NHC@fosfato) têm uma atividade tipo-SOD que aumenta com o aumento da força iónica da solução, expressa preferencialmente na forma de fosfato de sódio ou de potássio. Estes nanomateriais não apresentam atividade do tipo-catalase nem do tipo-peroxidase, mas apresentam capacidade de sequestrar/adsorver o H2O2 quando este está presente numa baixa concentração. Relativamente à segunda classe de nanomateriais, o NHC@cítrico e o NHC@tartárico apresentam uma elevada atividade redutora e exibem uma elevada capacidade de mimetizar antioxidantes não enzimáticos, evidenciada pelos tradicionais ensaios de atividade antioxidante (e.g., ABTS, DPPH, Folin-Ciocalteau). Todavia, estes nanomateriais não apresentam atividade do tipo-SOD. Em contrapartida, os nanomateriais desta classe com menor teor de espécies redutoras, NHC@málico, apresentam atividade catalítica do tipo-SOD, apesar da sua eficiência catalítica ser menor do que a exibida pelos NHC@fosfato. Considerando o potencial dos NHC@málico e NHC@fosfato para aplicações terapêuticas, mostrou-se que estes não apresentam citotoxicidade em duas linhas celulares humanas: células neuronais (SH-SY5Y) e queratinócitos (HaCaT). Os nanomateriais sintetizados nas soluções-tampão orgânicas apresentam ainda elevada reatividade com o oxigénio molecular e o peróxido de hidrogénio. As diferenças na atividade antioxidante, catalítica e eletroquímica dos nanomateriais mantidos no meio eletrolítico onde estes são gerados eletroquimicamente, foram interpretadas com base na estabilidade relativa das formas quinóide, as quais são modeladas com base no eletrólito utilizado na síntese eletroquímica. Na solução-tampão fosfato, a forma preferencial é a quinona (eletroativa); na solução-tampão tartarato é a semiquinona (eletroativa) e na soluçãotampão citrato é o aduto quinona-superóxido (não-eletroativa). Já na solução-tampão malato, o nanomaterial deverá estar preferencialmente numa forma não-eletroativa, resultante da funcionalização do nanomaterial com o próprio ácido málico, como revelado na caracterização estrutural. Demonstrou-se ainda que as duas entidades semiquinona e aduto quinona-superóxido, são convertíveis entre si num ciclo redox mediado pelo oxigénio molecular, o que permitiu racionalizar a evolução temporal da resposta voltamétrica e da atividade catalítica e antioxidante dos nanomateriais ao longo do tempo de armazenamento. A formação do aduto é corroborada por resultados espectroscópicos e pela deteção de peróxido de hidrogénio. Com recurso a um conjunto de técnicas de caracterização morfológica, química e estrutural, concluiu-se que sob as condições de síntese adotadas nesta tese, os nanomateriais apresentam particularidades que os distinguem dos carbon dots descritos na literatura: a) balanço de carga  0; b) capacidade para se auto-organizarem em estruturas supramoleculares de elevadas dimensões; c) capacidade para se auto-organizarem em estruturas em cadeia e/ou helicoidais (NHC preparados nas soluções-tampão orgânicas); d) alta afinidade para o ião Na+ em detrimento do K+ (NHC após diálise, preparado na solução-tampão fosfato). A conjugação dos dados experimentais de espectroscopia de Raman com cálculos teóricos de TFD permitiu concluir que o núcleo grafítico dos NHC dialisados é constituído por 7 a 12 anéis de benzeno dispostos de forma simétrica e compacta e que o núcleo grafítico do NHC@fosfato não sofre alterações significativas após a diálise. Estudos com diferentes substituintes, mostraram que a presença de um grupo orto-quinona e um grupo vinil promovem uma maior aproximação dos dados teóricos aos experimentais. A sistematização da caracterização dos nanomateriais, realizada em diferentes fases do processo de remoção do eletrólito utilizado na síntese eletroquímica, permitiu concluir que a eliminação gradual do eletrólito promove a modificação estrutural do nanomaterial, quer este tenha sido sintetizado na solução-tampão orgânica ou inorgânica. Em suma, demonstrou-se que o eletrólito desempenha um papel crucial na modelação das propriedades redox, catalíticas e antioxidantes dos nanomateriais, assim como na sua estabilidade química.

This work focuses on the development of carbon nanomaterials capable of mimicking, in terms of specificity and catalytic efficiency, enzymes that belong to the cells' antioxidant defense system. To address this challenge, water-soluble nanomaterials were used, generated electrochemically under galvanostatic polarization of a graphite anode (NHC – hydrophilic carbon nanomaterials). The strategy adopted to modulate the redox properties of the NHC involved modifying the chemical composition of the electrolyte used in the synthesis. The electrolyte, used in the electrochemical synthesis, had a strong impact on the structural, morphological, and chemical properties of the nanomaterials, particularly on their oxidation degree. Based on the voltammetric behavior of the nanomaterial solutions, as synthesized, four distinct populations of materials were selected, and grouped into two classes: a) nanomaterials prepared in the oxidized state with formal redox potential similar to the catalytic centers of the native SOD enzyme (prepared in a phosphate buffer solution); b) nanomaterials prepared in the reduced state, capable of promoting the reduction of O2 •− and H2O2 (prepared in a citrate, malate and tartrate buffer solutions). It was demonstrated that oxidizing nanomaterials exhibit SOD-like activity that increases with the increment of the ionic strength of the solution, preferably expressed as sodium or potassium phosphate. These nanomaterials do not exhibit catalase or peroxidase-like activities but have the ability to scavenge/adsorb H2O2 when it is present at low concentrations. Under the second class of nanomaterials, NHC@citric and NHC@tartaric, exhibit high reducing activity and show a high ability to mimic non-enzymatic antioxidants, evidenced by traditional antioxidant activity assays (e.g., ABTS, DPPH, and Folin-Ciocalteau). Nevertheless, these nanomaterials do not show SOD-like activity. Nanomaterials belonging to this class but with a lower content of reducing species (NHC@malic) exhibit SOD-like activity, although their catalytic efficiency is slower than that of NHC@phosphate. Considering the potential of NHC@malic and NHC@phosphate for therapeutical applications, it was shown that these nanomaterials do not exhibit cytotoxicity in two human cell lines: neuronal (SH-SY5Y) and keratinocytes (HaCaT). The nanomaterials synthesized in organic buffers also demonstrate high reactivity with molecular oxygen and hydrogen peroxide. Differences in the antioxidant, catalytic, and electrochemical activities of the nanomaterials maintained in the electrolytic medium where they were generated, were interpreted based on the relative stability of quinoid forms, which are tuned based on the electrolyte used in the electrochemical synthesis. In the phosphate buffer, quinone is the predominant (electroactive form); in the tartrate buffer, it is the semi-quinone form (electroactive form); and in the citrate buffer, it is the superoxide-quinone adduct (nonelectroactive form). In the malate buffer, the nanomaterial is predominantly in a nonelectroactive form, resulting from the functionalization of the nanomaterial with malic acid itself, as revealed by the structural characterization. The results also indicate that the two entities, semiquinone, and superoxide-quinone adduct, can convert into each other in a redox cycle mediated by molecular oxygen, which allowed rationalizing the temporal evolution of the voltammetric response and catalytic and antioxidant activity of the nanomaterials over storage time. The formation of the adduct form is corroborated by spectroscopic results and by the detection of hydrogen peroxide. Using a set of morphological, chemical, and structural characterization techniques, it was concluded that under the synthesis conditions adopted in this thesis, the nanomaterials have particularities that distinguish them from carbon dots described in the literature: charge balance > 0; b) ability to self-organize into large supramolecular structures; c) capacity to self-organize into chain and/or helical structures (NHC prepared in organic buffer solutions); (d) high affinity for the Na+ ion over K+ (NHC after dialysis and prepared in a phosphate buffer). Theoretical and computational methods were applied to predict the potential core structure of the dialyzed NHC. To this end, the predicted Raman bands of pre-generated structures were compared with the experimental ones. These results allowed to conclude that the core structure is constituted between 7 and 12 benzene rings, which are arranged in a symmetric and condensed manner. These results also indicate that the NHC@phosphate core structure does not change significantly after dialysis. Further studies on these structures with different substituents support the presence of orthoquinone and vinyl groups in their edges. The characterization of the nanomaterials made at different stages of the dialysis process indicates that electrolyte removal promotes the structural modification of the nanomaterial, independently of whether it was synthesized in organic or inorganic buffers. In conclusion, this work demonstrates that the electrolyte plays a key role in the redox, catalytic, and antioxidant properties of the synthesized nanomaterials, as well as, in their chemical stability.