Desenvolvimento de membranas antimicrobianas a partir da extração e purificação da celulose da casca da batata

Agroindustrial waste stands out as an abundant and low cost material that can be transformed into value-added products in the medical sector. Researching materials that are even cheaper and more sustainable has become an important task, since wound treatment is a public health problem. Thus, this study aims to develop an innovative “green” technology by isolating cellulose from potato peels to prepare antimicrobial membranes through the use of silver nanoparticle (Np-Ag) biosynthesis, using the geranium leaves extract (Pelargonium zonale). The process for extracting and purifying the potato peel cellulose, with consequent film formation, was done using sodium hydroxide (NaOH) and hydrogen peroxide (H2O2), using factorial design 22 in the alkaline pulping stage. Results showed that both concentration and temperature influenced in the yield; however, only temperature was significant enough to form films (membrane). Among the tests a film was obtained. The highest yield occurred under the conditions of 0.5 mol/L NaOH, at 80°C for 2.5h, followed by bleaching with H2O2 15% w/w. FTIR analysis of this material exhibited characteristic bands of cellulose, while bands related to hemicellulose and lignin were not observed. XRD spectra confirmed that the extracted cellulose had a crystalline pattern similar to type I and II cellulose and the crystallinity index was 73.42%. The membrane thermal behavior revealed that about 80% of the cellulose chain was degraded at temperatures of 340°C and 442°C, with activation energy of 163.82 kJ/mol. Swelling studies showed that membrane has a high swelling content (between 200% and 300%) at temperatures of 10, 25 and 40°C and the diffusion process did not follow the Fick model. In addition, a phase transition temperature of about 40°C was found. Characterization analyzes (UV-visible and FTIR spectra) of the geranium extract exhibited functional chemical groups that are capable of reducing and stabilizing silver ions (Ag+) to Np-Ag. This reduction in an aqueous medium with geranium extract was confirmed by the presence of absorption bands typical of the surface plasmon resonance region (RPS) for Np-Ag at 370 and 470 nm. XRD analyses of the cellulose fiber/silver nanoparticle (FC/Np-Ag) biocomposites showed that the crystalline profile of the cellulose matrix was not modified, although crystallinity has decreased to the samples that were swollen in Ag+ solution. The mean size of the Np-Ag varied between 20-12 nm. Microbiological assays revealed that the antimicrobial activity of Np-Ag was effective for both Escherichia coli bacteria and Staphylococcus aureus, with inhibition halos in the range of 12-17 mm. Releasing studies showed that the Np-Ag were only released at 370 nm. Release profiles for the temperatures of 23, 30 and 37 ° C exhibited satisfactory exponential adjustments, following a bimodal model. The equilibrium was faster reached at 23°C, releasing 0.0095 mg/mL of Np-Ag. Thus, it could be inferred that temperature decreasing resulted in greater release. It was also observed that the Np-Ag release followed a zero-order kinetic profile for the three temperatures studied. The release activation energy (EL) between 30°C and 37°C was 67.50 kJ/mol. In the same temperature range, thermodynamic parameters for enthalpy, entropy and free energy of Gibbs of the activated complex revealed an endothermic process, tending to decrease the system disorder and naturally not spontaneous. Therefore, using a lowcost agroindustrial residue, this study contributed to the synthesis and characterization of the FC/Np-Ag biocomposite, which due to its physic-chemical and antimicrobial characteristics, has great potential in wound treatment.Agência 1Os resíduos gerados pela agroindústria representam materiais abundantes e de baixo custo que podem ser transformados em produtos de valor agregado, com aplicação na área médica. Sendo o tratamento de feridas um problema de saúde pública, é importante buscar materiais cada vez mais baratos e sustentáveis para esta finalidade. Nesse sentido, a presente Tese buscou desenvolver um projeto inovador dentro das tecnologias “verdes”, isolando a celulose da casca da batata para a preparação de membranas antimicrobianas, por meio da biossíntese das nanopartículas de prata (Np-Ag), utilizando extrato de folhas de gerânio (Pelargonium zonale). O processo para extração e purificação da celulose da casca da batata, com consequente formação de filmes, foi feito utilizando hidróxido de sódio (NaOH) e peróxido de hidrogênio (H2O2), a partir do planejamento fatorial 22 na etapa de polpação alcalina. Os resultados mostraram que tanto a concentração quanto a temperatura influenciaram no rendimento, porém na formação de filmes (membrana), apenas o efeito da temperatura foi significativo. Dentre os ensaios em que houve obtenção de filme, o maior rendimento ocorreu nas condições de 0,5 mol/L de NaOH, a 80°C por 2,5h seguido do branqueamento com 15% m/m de H2O2. Análises FTIR deste material mostraram bandas características da celulose e ausência de bandas referentes à hemicelulose e lignina. Os espectros de DRX confirmaram que a celulose extraída apresentou padrão cristalino semelhante à celulose do tipo I e II e o índice de cristalinidade foi de 73,42%. O comportamento térmico da membrana, mostrou que cerca de 80% da cadeia de celulose foi degradada nas temperaturas de 340 e 442°C, com energia de ativação de 163,82 kJ/mol. O estudo do intumescimento mostrou que a membrana possui alto teor de inchaço (entre 200 e 300%) nas temperaturas de 10, 25 e 40°C e que a difusão não seguiu o modelo de Fick. Além disso, foi encontrada uma temperatura de transição de fase em torno de 40ºC. Pelas análises de caracterização do extrato de gerânio através dos espectros de UVvisível e FTIR, verificou-se a presença de grupos químicos funcionais capazes de reduzirem e estabilizarem os íons prata (Ag+) a Np-Ag. Esta redução em meio aquoso contendo extrato de gerânio foi confirmada através do aparecimento das bandas de absorção típicas da região de ressonância de plasmon de superfície (RPS) para as Np-Ag, em 370 e 470 nm. Análises DRX dos biocompósitos de fibra celulósica/nanopartícula de prata (FC/Np-Ag) mostraram que o perfil cristalino da matriz de celulose não foi modificado, embora observou-se uma diminuição da cristalinidade nas amostras que foram intumescidas em solução de Ag+. O tamanho médio das Np-Ag variou entre 20-12 nm. Ensaios microbiológicos revelaram que a atividade antimicrobiana das Np-Ag foi eficaz tanto para a bactéria Escherichia coli quanto para Staphylococcus aureus, apresentando halos de inibição na faixa de 12-17 mm. O estudo da liberação mostrou que as Np-Ag foram liberadas apenas em 370 nm. Os perfis de liberação para as temperaturas de 23, 30 e 37°C apresentaram ajuste exponencial satisfatório, seguindo um modelo bimodal. O equilíbrio foi atingido mais rapidamente na temperatura de 23°C, liberando 0,0095 mg/mL de Np-Ag. Nesse sentido, pôde-se inferir que a diminuição da temperatura resultou em maior liberação. Observou-se também que a liberação das Np-Ag seguiu um perfil cinético de ordem zero, para as três temperaturas estudadas. A energia de ativação da liberação (EL) entre as temperaturas de 30 e 37°C foi de 67,50 kJ/mol. No mesmo intervalo de temperatura, os parâmetros termodinâmicos para entalpia, entropia e energia livre de Gibbs do complexo ativado, revelaram um processo de natureza endotérmico, com tendência a diminuição da desordem do sistema e naturalmente não espontâneo. Portanto, a partir da utilização de um resíduo agroindustrial de baixo custo, este trabalho contribuiu para a síntese e caracterização do biocompósito FC/Np-Ag, que devido às suas características físico-químicas e antimicrobianas, apresenta grande potencial para atuar no tratamento de feridas