Materiais com estrutura melhorada derivados de crustáceos e algas marinhas podem fazer parte de uma resposta de próxima geração ao desafio de substituir filmes plásticos à base de petróleo, de acordo com uma nova pesquisa da Universidade Estadual da Carolina do Norte.



A combinação de quitosana, um biopolímero que endurece as cascas de caranguejo, com agarose, um biopolímero extraído de algas marinhas usado para fazer géis, cria filmes compostos de biopolímero exclusivos com maior resistência. Os filmes também são biodegradáveis, possuem propriedades antibacterianas, repelem água e são transparentes. As descobertas poderão eventualmente levar a filmes de embalagens sustentáveis ​​para alimentos e bens de consumo.

“Como encontramos substitutos sustentáveis ​​para polímeros sintéticos?” perguntou Orlin Velev, S. Frank e Doris Culberson Distinguido Professor de Engenharia Química e Biomolecular na NC State e autor correspondente de um artigo que descreve a pesquisa.

"Os polímeros sintéticos produzem filmes muito bons, mas queremos substituí-los por biopolímeros naturais. A questão é como ajustamos a estrutura conjunta desses polímeros naturais - no nosso caso, agarose e quitosana - para que possamos ter todas as propriedades desejáveis ​​de polímeros sintéticos dentro de um filme sustentável e biodegradável?"

Pode não ser suficiente simplesmente misturar quitosana e agarose. Velev diz que esforços anteriores para produzir tais misturas relataram melhorias nas propriedades, mas quando secas, criaram filmes arenosos que podem não ter a resistência adequada.

Em vez disso, Velev e seus colaboradores adotaram uma abordagem diferente, reforçando os filmes de agarose com material fibrilado em escala coloidal – chamados colóides dendríticos moles – feito de quitosana. As fortes fibrilas de quitosana em micro e nanoescala são hierarquicamente ramificadas para fornecer força e estabilidade ao filme de agarose onde estão incorporadas.

"É um desafio modificar quimicamente polímeros naturais, mas podemos alterar sua morfologia e usá-los como compósitos", disse Yosra Kotb, Ph.D. graduado e primeiro autor do artigo.

"Usamos partículas dendríticas de quitosana para reforçar a matriz de agarose devido à compatibilidade de ambos os materiais, levando a boas propriedades mecânicas; as partículas de quitosana também têm carga oposta à agarose. Quando misturadas, essas cargas são neutralizadas, de modo que os materiais resultantes também se tornam mais resistentes a água."

Os compósitos de biopolímero são cerca de quatro vezes mais fortes do que os filmes de agarose isolados, mostra a pesquisa, e também resistem à E.coli, uma bactéria comumente estudada. O artigo também mostrou que uma folha feita de filmes compostos de biopolímero se degradou bastante após um mês no subsolo, enquanto, para efeito de comparação, um saquinho de sanduíche de plástico comum permaneceu completamente intacto após o mesmo período no subsolo.

"Curiosamente, nosso compósito é inicialmente fortemente antibacteriano", disse Velev, "mas como é feito de materiais naturais, depois de algum tempo as bactérias ainda irão colonizá-lo - então, depois de um mês no subsolo, ele se biodegradará facilmente",

Velev acrescentou que seu laboratório continuará trabalhando para melhorar a estrutura dos filmes compósitos de biopolímero com o objetivo de eventualmente igualar as propriedades dos filmes de polímero sintético.

“Se você embala alimentos, deseja que a embalagem seja impermeável ao oxigênio e à água”, disse ele. “Mas os materiais naturais são permeáveis, por isso continuaremos a trabalhar para tornar os nossos filmes mais impermeáveis ​​à água e ao oxigénio”.

Aumentar a escalabilidade do processo de produção de materiais também é um dos objetivos futuros. "Como você faz o filme substituto do polímero em um processo contínuo que é rápido o suficiente para produzi-lo em quantidades grandes o suficiente - como a fabricação de papel?" Velev disse.

As descobertas aparecem em Cell Reports Physical Science .

Mais informações: Yosra Kotb et al, Filmes compostos de biopolímero reforçados hierarquicamente como substituto multifuncional de plásticos, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101732
Informações do diário: Células relatam ciência física

Fornecido pela Universidade Estadual da Carolina do Norte