Study of influence of organoclays on biodegradation process of PLA nanocomposites and its genotoxic and mutagenic effects

Neste estudo, foram preparados nanocompósitos de PLA e argilas organofílicas Cloisite 20A e Cloisite 30B, pelo método de intercalação do fundido. Os materiais foram caracterizados mediante Difração de Raios-X (DRX), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Análise Termogravimétrica (TGA) e Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC). A influência das argilas organofílicas no processo de biodegradação do PLA foi avaliada pela quantificação da taxa de mineralização do PLA e dos nanocompósitos pela norma ISO 14855-2, em condições simuladas de compostagem. Também foi avaliada a influência das argilas no processo de degradação hidrolítica do PLA, pela análise visual e monitoramento de peso molecular após os períodos de 15 e 30 dias de degradação em composto. Diante da falta de informação relacionada à ecotoxicidade de polímeros biodegradáveis, a avaliação de efeitos citotóxicos, genotóxicos e mutagênicos do composto orgânico após a degradação dos materiais foi realizada empregando o bioensaio com o organismo teste Allium cepa. Os nanocompósitos preparados apresentaram estrutura intercalada, evidenciada pela análise de DRX. As micrografias obtidas por MET permitiram a observação de diferentes níveis de dispersão, incluindo regiões esfoliadas. Foram verificadas, após a incorporação das argilas organofílicas, a redução da estabilidade térmica e o aumento do grau de cristalinidade do PLA, pelas análises de TGA e DSC, respectivamente. Com relação às medidas de mineralização, notou-se que a argila Cloisite 20A não apresentou influência significativa na biodegradação do PLA. Por outro lado, a argila Cloisite 30B levou à redução dos valores de mineralização comparados com o polímero puro, o que pode estar relacionado à atividade antimicrobiana de seu agente modificador. Na avaliação da degradação hidrolítica, notou-se que a presença de argilas organofílicas pode diminuir a taxa de degradação, possivelmente pela atuação de suas camadas como barreira. Ainda assim, mesmo no caso dos nanocompósitos, a redução do peso molecular foi significativa indicando que o processo de compostagem é favorável para a cisão de cadeia do polímero nos materiais em estudo. Na análise realizada por meio do bioensaio com o organismo teste Allium cepa, foi verificado que, após a degradação do PLA e dos nanocompósitos, o composto orgânico apresentou redução do índice mitótico e aumento da indução das alterações cromossômicas, de forma estatisticamente significativa em relação ao controle negativo do ensaio (água destilada). Pela comparação dos resultados obtidos para os nanocompósitos em relação ao polímero puro, não foram verificadas diferenças estatisticamente significativas. Os tipos de aberrações cromossômicas observadas indicam um efeito genotóxico dos materiais, possivelmente relacionado a uma ação aneugênica dos produtos de degradação do PLA.In this study, nanocomposites of PLA with organoclays Cloisite 20A and Cloisite 30B were prepared by the melt intercalation method. The materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), Thermogravimetric analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). The influence of organoclays in the biodegradation process of PLA was assessed by quantifying the rate of mineralization according to ISO 14855-2, in simulated composting conditions. The influence of clays on the hydrolytic degradation process of PLA was also investigated by visual analysis and monitoring of molecular weight after periods of 15 and 30 days of degradation in organic compost. Given the lack of information related to ecotoxicity of biodegradable polymers, the assessment of citotoxic, genotoxic and mutagenic effects of the organic compost, after the materials degradation, was carried out using the bioassay with Allium cepa as test organism. The nanocomposites presented an intercalated structure, evidenced by XRD analysis. The TEM micrographs allowed the observation of different dispersion levels, including exfoliated regions. After incorporation of organoclays, a reduction of thermal stability and an increasing in the degree of crystallinity of the PLA were observed by TGA and DSC analysis, respectively. In respect to the mineralization, it was noted that the clay Cloisite 20A showed no significant influence on the biodegradation of PLA. On the other hand, the clay Cloisite 30B led to decreased levels of mineralization compared to the polymer, which may be related to an antimicrobial activity of its modifying agent. In the evaluation of hydrolytic degradation it was verified that the presence of organoclays can decrease the rate of degradation possibly by the action of its layers as a barrier. Nevertheless, even in the case of nanocomposites, the molecular weight reduction was significant, indicating that the composting process is favorable to the chain scission of the polymer in the studied materials. In the analysis performed by the bioassay using the test organism Allium cepa, it was verified that after degradation of PLA and the nanocomposites, the organic compost showed an reduction of the mitotic index and an increasing in the induction of chromosomal abnormalities. These results were statistically significant in relation to negative control (distilled water). By comparing the results obtained for the nanocomposites in relation to pure polymer, there were no statistically significant differences. The types of chromosomal aberrations observed indicate a possible genotoxic effect of materials, which may be related to an aneugenic action of the degradation products of PLA