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Tópicos especiais: Biopolímeros e
sistemas nanoparticulados
Profª Drª Fernanda Vitória Leimann
Ementa
• Introdução aos biopolímeros.
• Síntese de biopolímeros e estrutura química.
• Degradação de biopolímeros.
• Métodos de preparação e caracterização de nanopartículas poliméricas.
• Métodos de preparação de nanopartículas metálicas.
• Métodos de preparação e caracterização de filmes poliméricos.
• Aplicação na indústria de alimentos.
• Âmbar: resina termoplástica proveniente de árvores fossilizadas.
• Gutta-percha: coagulação de látex de árvores de Palaquim gutta, Mimusops balata, Archras sapota e Eucommia ulmoides
restaurações dentárias.
• Borracha natural: coagulação do látex da seringueira (Heveabrasiliensis) isolante elétrico e mecânico.
• Goma laca: resina secretada pelo inseto Kerria lacca,
encontrado nas florestas da Índia e Tailândia verniz.
Introdução aos biopolímeros.
Introdução aos biopolímeros
• PolímeroSubstância caracterizada por uma repetição múltipla de uma ou mais espécies de átomos ou grupo de átomos unidos uns aos outros em quantidades suficientes para fornecer um conjunto de propriedades que não variam acentuadamente com a adição ou remoção de uma ou algumas unidades constitucionais (International Union of Applied Chemistry).
10.000 < Massa Molar < 10.000.000
Definições
• Macromolécula
Composto de elevada massa molar, em que a complexidade das moléculas é que acarreta o seu tamanho, e não a repetição das unidades pequenas.
Definições
• Monômero
Composto constituído de moléculas, cada uma das quais capaz de dar origem a uma ou mais unidades repetitivas.
Definições
• Oligômero
Substância constituídas de moléculas que contém poucos átomos de uma ou mais espécies ou grupos de átomos, ligados repetitivamente uns aos outros. As propriedades físicas de um oligômero variam com a adição ou remoção de uma ou de algumas das unidades constitucionais de suas moléculas.
Massa molar < 10.000
Definições
• Oligomerização
Processo de conversão de um monômero ou de uma mistura de monômeros em um oligômero.
• Polimerização
Processo de conversão de um monômero ou de uma mistura de monômeros em polímeros.
Definições
• Massa molar (MM)
▫ Massa Molar média em número (Mn)
▫ Massa Molar viscosimétrica média (Mv)
▫ Massa Molar média em peso (Mw)
Definições
• Polidispersividade
Mn=Mw Monodisperso.
• Grau de polimerização Número de unidades de repetição da cadeia polimérica, normalmente é simbolizado por DP ou n.
Definições
n
w
M
MsãoPolidisper
monômeroPolímero MMDPMM ).(
• Ligações moleculares de polímeros
Ligação Intramolecular - ligações covalentes presentes entre os átomos que compõem a cadeia polimérica.
Definições
-
n
• Ligações moleculares de polímeros
Ligação Intermolecular – Ligações Secundárias entre as moléculas.
Definições
Forças de Van de Waalsn
n
-Ligações de hidrogênio;
- Dipolo-Dipolo.
Definições
C
OO
H
C
OH
C
O
OH
C
O
C
HO O
C C
C
n
n
n
-
+
-
+-
+
Ligação de hidrogênio
Definições
n
nC
C
C
N C
N
Dipolo-Dipolo
• Classificação quanto à forma molecular fixada por ligações químicas:
• Linear
• Ramificado
• Reticulado
Definições
• Classificação quanto à estrutura química:
• Homopolímeros
• Copolímeros
Definições
Bloco
GrafitizadoAleatórios e alternados
• Sintéticos de fontes naturais (semi-sintéticos): PLLA, PLDA, PLGA, etc.
• Sintéticos derivados de petróleo: PCL, ECOFLEX® (BASF), Biomax® (Dupont), etc.
• Extaídos de fontes naturais: proteínas, polissacarídeos, bacterianos, etc.
Biopolímeros (Vroman e Tighzert, 2009)
• Polimerização por condensação (Polimerização por etapas);
• Polimerização por adição (Polimerização por etapas);
• Polimerização em cadeia (radicalar);
• Polimerização por abertura de anel;
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização por condensação
• Poli(ácido lático)
• Ácido lático (Nampoothiri, Nair e John, 2010):
• Via fermentativa;
• Via química.
• Presença da hidroxila e da carboxila permitem conversão direta em poliéster via policondensação.
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização por condensação
• Obtenção do ácido lático via fermentativa 90% da produção mundial.
• Substratos: glicose, sorgo, farinha de trigo, leite desnatado, xarope de milho, lactose, etc. (Hofvendahl e Hahn-Hägerdal, 2000).
• Obtenção do ácido lático via química hidrólise da lactonitrila (Hofvendahl e Hahn-Hägerdal, 2000; Lili, 2007)
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização por condensação
• (Zhang et al., 2008)
• Remoção efetiva da H2O eliminada na reação extensão efetiva da cadeia.
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização por condensação• Policaprolactona
• Policondensação do ácido 6-hidroxi hexanóico (Labet e Thielemans, 2009).
• Poucas informações sobre o mecanismo de reação.
• Remoção da água durante a polimerização deslocamento do equilíbrio.
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização por condensação
Poli(ácido lático-co-glicólico) (PLGA)
Poli(succinato de butileno) (PBS)
Poli(succinato de butileno-co-adipato) (PBSA)
Poli(succinato de etileno) (PES)
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização por adição
• Poliuretanos (Zanetti-Ramos et al., 2006)
• Polióis naturais: óleo de mamona, óleo de soja, óleo de rícino, etc.
• Diisocianato: IPDI.
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização por adição
• Poliuretanos (Zanetti-Ramos et al., 2006)
• Polióis naturais: óleo de mamona, óleo de soja, óleo de rícino, etc.
• Diisocianato: IPDI, HDI, etc.
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização por abertura de anel
• Poli(ácido lático)
• Lactídeo formado na oligomerização do ácido lático (depolimerizaçãocatalisada, transesterificação interna).
• Estéreo formas do lactídeo (Nampoothiri, Nair e John, 2010).
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização por abertura de anel
• Poli(ácido lático) (Zhong, Dijkstra e Feijen, 2002)
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização por abertura de anel
• Policaprolactona (Labet e Thielemans, 2009)
• Polimerização por abertura de anel via inserção por cooordenação
mecanismo mais comum (outros via: aniônica, catiônica e monômero ativado).
• Coordenação do monômero ao catalisador inserção do monômero em ligação metal – oxigênio do catalisador.
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização em cadeia
Síntese de Biopolímeros
• Polimerização em cadeia iniciadores.
Síntese de Biopolímeros
AIBN
Par Redox
Peróxido de benzoíla
• Polimerização em cadeia.
Síntese de Biopolímeros
PVP
• Polimerização em cadeia.
Síntese de Biopolímeros
PVAc
PVA
Hidrólise
• Síntese bacteriana intracelular (Grage et al., 2009).
• Cupriavidus necator;
• Bacillus megaterium ;
• Alcaligenes eutrophus;
• Pseudomonas oleovorans;
• Pseudomonas putida;
• Etc.
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
Poli(hidroxi alcanoatos) PHAs
50
0 n
m
50 nm
• Síntese bacteriana intracelular (Poirier, Nawrath e Somerville 1995).
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Síntese bacteriana intracelular (Poirier, Nawrath e Somerville 1995).
Alcaligenes eutrophus
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Síntese bacteriana intracelular extração do biopolímero(Suriyamongkol et al. 2007).
Solubilização em CHCl3
Adição de MeOH
(precipitação)
Filtração e evaporação do
solvente.PHAsMOs
Enzimas + detergentes
Filtração e evaporação do solvente.
PHAsMOs
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Síntese bacteriana extracelular (Rehm 2010).
• Polissacarídeos
Xantana Xantomonas spp.
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
Gelana Sphingomonas spp.
• Síntese bacteriana extracelular (Rehm 2010).
• Polissacarídeos
Celulose Bactérias Gram-positivas e
proteobactérias alfa, beta e gama.
Ácido hialuronico Streptococcus spp. e
Pasteurella multocida
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Síntese bacteriana extracelular (Rehm 2010).
• Polissacarídeos
Alginato Pseudomonas spp. e Azobacter spp.
Dextrana Leuconostoc spp. e
Streptococus spp.
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Amido• Extração aquosa.
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Amido (Tester, Karkalas e Qi, 2004)
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• ZeínaMilho e subprodutos (Anderson e Lansal 2011; Shukla e Cheryan, 2001).
• Principal proteína presente no endosperma do milho.• Extração com solvente (etanol).
Síntese de Biopolímeros
• Celulose Plantas (Ioelovich, 2008).• Localizada na parede das fibras (células vegetais alongadas).
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Quitosana desacetilação da quitina (Martins, 2005; Abdou et al., 2008).
• Quitina desmineralização da casca de crustáceos (15 a 20%).
Hidrólise
ácida ou básica
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Gelatina (Hanani, Roos e Kerry 2012).
• Hidrólise (ácida ou enzimática) do colágeno de peles e ossos de bovinos, aves, suínos e peixes.
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Goma arábica (Verbeken , Dierckx ·e Dewettinck 2003).
• Exsudado de espécies de acácia (Acacia senegal e Acacia seyal).
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Pectina (Srivastava e Malviya 2011).
• Principal componente da lamela média celular de plantas.
• Extração aquosa (meio ácido) Bagaços de laranja e maçã.
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Extração de fontes naturais:
• Celulose Plantas (Ioelovich, 2008).• Localizada na parede das fibras (células vegetais alongadas).
Fibras de algodão
HidróliseCisalhamento
Biopolímeros Extraídos de Fontes Naturais
• Emulsificação/Evaporação do solvente (Reis et al., 2006)
• Agitação mecânica ou magnética (peixinho);
• Solubilização do polímero em solvente orgânico imiscível em H2O;
• Surfatantes: lecitina, Tween, Span, etc.
Nanocápsulas
Nanoesferas
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Emulsificação/Evaporação do solvente (Reis et al., 2006)
• Agitação
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Tensão interfacial e
Forças viscosas
Energia cinética turbulenta
Coalescência Quebramento
• Emulsificação/Evaporação do solvente• Mecanismo de formação de emulsões (Dickinson, 2009)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Energia livre requerida para quebrar a gota
Gradiente de pressão externa (Laplace)
necessário para romper a gota
• Emulsificação/Evaporação do solvente• Tensão interfacial
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Tensão interfacial Tendência é a minimizaçãoda área superficial.
Permite umamaior área de contatoentre as fases.
Surfatante ↓ γ
• Emulsificação/Evaporação do solvente• Mecanismos de estabilização
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Estabilização estérica
Estabilização eletrostática
• Emulsificação/Evaporação do solvente
• Mecanismos de estabilização Estabilização estérica
• Macromoléculas adsorvem à superfície das partículas
• Poli(álcool vinílico) (PVA);
• Gelatina;
• Amido;
• Poli(vinil pirrolidona).
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Emulsificação/Evaporação do solvente
• Mecanismos de estabilização Estabilização eletrostática
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Potencial Zeta
• Emulsificação/Evaporação do solvente
• Mecanismos de estabilização Estabilização eletrostática
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Ponto isoelétrico
Potencial zeta (mV) Comportamento
> ± 61 Excelente estabilidade
± 40 a ± 60 Boa estabilidade
± 30 a ± 40 Estabilidade moderada
± 10 a ± 30 Início da instabilidade
± 5 a 0 Coagulação rápida
• Emulsificação/Evaporação do solvente• Tensão interfacial (Opawale e Burgess, 1998)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Concentração surfatante
↓ Tensão interfacial
↓ Tamanhos
• Emulsificação/Evaporação do solvente• Hydrophylic Lipophylic Balance HLB (Bos e Vliet, 2001)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Hidrofílicos
Lipofílicos
• Emulsificação/Evaporação do solvente
• Surfatantes aniônicos
• Surfatantes catiônicos
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Dodecil sulfato de sódio (SDS)
Cloreto metil tri-octil amônio (TOMAC 75)
• Emulsificação/Evaporação do solvente
• Surfatantes anfotéricos
• Surfatantes não iônicos
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Alquil DimetilBetaína (EMPIGEN)
Polisorbato 20 (TWEEN 20)
• Emulsificação/Evaporação do solvente
• Mistura de surfactantes HLB
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
)(
..
BA
BBAABA
xx
xHLBxHLBHLB
• Emulsificação/Evaporação do solvente• Influência da concentração de surfactante (Zambaux et al., 1998)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
2
2
DpIPD
Sistema monodisperso
• Emulsificação/Evaporação do solvente• Formação de microcápsulas emulsão simples (Rosca et al., 2004)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Emulsificação/Evaporação do solvente• Formação de microcápsulas dupla emulsão (Rosca et al., 2004)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Emulsificação/Evaporação do solvente• Formação de microcápsulas dupla emulsão (Yang et al., 2000)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Miniemulsificação/Evaporação do solvente (Leimann., 2013)
• Dispersores de alta eficiência (sonificador, rotor estator);
• Solubilização do polímero em solvente orgânico imiscível em H2O.
• Surfatantes: lecitina, Tween, Span, etc.
• Características de estabilidade de miniemulsões.
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Miniemulsificação/Evaporação do solvente
• Dispersores de alta eficiência: Ultrassom (Asua, 2002)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
http://www.hielscher.com/emulsify_01.htm
• Miniemulsificação/Evaporação do solvente
• Dispersores de alta eficiência: Ultraturrax (Ouzineb et al., 2006)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Miniemulsificação/Evaporação do solvente
• Dispersores de alta eficiência: homogeneizador de lata pressão (Asua, 2002)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Miniemulsificação/Evaporação do solvente
• Fase dispersa emulsão direta (o/w)
• Clorofórmio;
• Diclorometano;
• Acetato de etila;
• Hexano.
• Fase dispersa emulsão inversa (w/o)
• Água.
• Surfatantes idem emulsificação/evaporação.
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Nanoprecipitação ou Deslocamento do solvente e deposição interfacial
• Inicialmente desenvolvida por Fessi et al. (1986)
• Agitação mecânica ou magnética (peixinho);
• Solubilização do polímero em solvente orgânico miscível em H2O;
• Surfatantes: lecitina, Tween, Span, etc.
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Nanoprecipitação ou Deslocamento do solvente e deposição interfacial (Khan e Schneider 2013)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Miniemulsificação/Deslocamento do solvente (Crespy e Landfester, 2007)
• Dispersores de alta eficiência (sonificador, rotor estator);
• Solubilização do polímero em solvente orgânico miscível em H2O.
• Surfatantes: lecitina, Tween, Span, etc.
• Características de estabilidade de miniemulsões.
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Salting out (Reis et al., 2006)
• Agitação mecânica ou magnética (peixinho);
• Solubilização do polímero em solvente orgânico miscível em H2O.
• Surfatante: PVA, PVP, etc.;
• Agentes Salting out: eletrólitos (MgCl2, CaCl2, etc.) ou não eletrolíticos (sacarose).
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Complexos de Inclusão molecular (Pinho et al., 2014)-CD, -CD e γ -CD (left to right) and schematic representation of the CD truncate aspect (Chem3D Pro 12.0 software).
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Molécula em formato de cone ou
toroidal.
• Complexos de Inclusão molecular (Singh et al., 2010)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Complexos de Inclusão molecular (Pinho et al., 2014)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Encapsulate + composto bioativo
Congelamento
Spray dryer
Liofilização
Micropartículas
Nanopartículas
• Spray Dryer Nano Spray Dryer (BÜCHI Labortechnik )
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Precipitação em meio supercrítico (Supercritical AntisolventPrecipitation, SAS) (Franceschi et al., 2008)
• CO2 supercrítico
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Precipitação em meio supercrítico (sfe.kkft.bme.hu)
• Propriedades de fluidos suercríticos
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Precipitação em meio supercrítico
• Solubilização do polímero e composto bioativo em solvente orgânico;
• Solvente orgânico solúvel em CO2 supercrítico;
• Composto bioativo e polímero insolúveis em CO2 supercrítico.
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Nanopartículas de Biopolímeros
• Precipitação em meio supercrítico (Supercritical AntisolventPrecipitation, SAS) (Franceschi et al., 2008)
• Hidrólise ácida e aplicação de cisalhamento
Fibras de Capim dourado
HidróliseCisalhamento
Nanocristais de celulose (Siqueira et al., 2010)
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Nanopartículas Sólidas Lipídicas
• Tamb sólido;
• Tipos:
• Cera de carnaúba;
• Ácido esteárico;
• Palmitoestearato de glicerol;
• Palmitato de cetila;
• Tricaprina;
• Behenato de glicerilo.
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
• Nanopartículas Sólidas Lipídicas (Mehnert e Mäder, 2001)
• Fusão/Emulsificação
Síntese de nanopartículas biopoliméricas
Fusão do lipídeo e dispersão do
composto bioativo(CBA)
Dispersão do lipídeo + CBA em H2O
quente contendo surfatante
Pré-mistura sob baixa taxa de
agitação
Homogeneização acima do ponto
de fusão do lipídeo
Resfriamento até Tamb
solidificação
• Nanopartículas metálicas sintetizadas por microorganismos
Síntese de nanopartículas metálicas
• Nanopartículas metálicas sintetizadas por microorganismos
Síntese de nanopartículas metálicas
• Nanopartículas de prata síntese verde (Stevanović et al., 2011; Ghaseminezhad, Hamedi e Shojaosadati, 2012)
Síntese de nanopartículas metálicas
• Nanopartículas de óxido de zinco (Zak et al., 2011)
Síntese de nanopartículas metálicas
Solução de gelatina
Solução de Nitrato de Zinco
Oxidação 80 ºC 12h Calcinação
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas
• Caracterização morfológica;
• Tamanho de partícula;
• Distribuição de tamanho de partícula;
• Estabilidade coloidal;
• Caracterização da massa molar;
• Caracterização térmica;
• Interações entre encapsulante e encapsulado;
• Eficiência de encapsulação;
• Liberação do composto encapsulado;
• Degradação do biopolímero;
• Atividades antimicrobiana, antioxidantes, etc.
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização morfológica (Dudkiewicz et al., 2011)
• Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Imagem obtida por digitalização da
superfície da amostra com um feixe de elétrons de
baixa energia (1-30 kV) espalhamento dos elétrons
detectados.
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização morfológica
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Preparação da amostra
1- Deposição sobre o “stub” ou lamina de sílica ou vidro (líquido ou em pó);
2- Metalização (sputtering);
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização morfológica
MEV
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização morfológica (Dudkiewicz et al., 2011)
• Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET)
Feixe de elétrons de alta energia (80-300 kV) é transmitido
através de uma camada muito fina de amostra.
Uma fracção do feixe é dispersa a partir da amostra e outra
pode ser transmitida com uma pequena mudança na
energia ou direção detecção destas interações
do feixe com a amostra, fornecendo uma imagem
de alta-resolução.
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização morfológica
Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET)
Preparação da amostra
1- Formação de filme de colódio sobre o grid;
2- Deposição da amostra líquida;
3- Contato com agentes de contrate;
4- Cobertura com carbono.
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização morfológica
MET
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Tamanho de partícula
• Dynamic Light Scattering (DLS)
• Diâmetro médio em intensidade (Dz)
• Diâmetro médio em número
• Diâmetro médio em volume
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Tamanho de partícula
• Dynamic Light Scattering (DLS) Z-average (Dz)
Onde: k- constante de Boltzman; T – temperatura; η- viscosidade; R –velocidade de movimento Browniano.
Movimento browniano
Espalhamento com intensidades
diferentes
Relação de Stokes-Einstein
R
kT
6D
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Tamanho de partícula
• Dynamic Light Scattering (DLS) Z-average (Dz)
Onde: k- constante de Boltzman; T – temperatura; η- viscosidade; R –velocidade de movimento Browniano.
Movimento browniano de
uma esfera
R
kT
6D
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Tamanho de partícula
• Dynamic Light Scattering (DLS)
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas • Tamanho de partícula• Dynamic Light
Scattering(DLS)
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Tamanho de partícula
• Dynamic Light Scattering (DLS) Diâmetros em número e em volume
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas
• Distribuição de tamanho de partícula• Dynamic Light Scattering (DLS)
Monomodal um único pico
Bimodal dois picos
Multimodal muitos picos
Monodisperso tamanho uniforme
Polidisperso tamanhos muito variados
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas
• Distribuição de tamanho de partícula• Dynamic Light Scattering (DLS)
Indicativo da variância da
amostra
< 0,2 Sistema monodispersoPDI – Polydispersity index
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Tamanho de partícula
• Análise de imagem
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Estabilidade coloidal potencial zeta e diâmetro
(Freitas e Müller, 1998)
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Massa molar
Gel Permeation Chromatography (GPC)
Solubilização da amostra em
THF ou CHCl3 ≈
1 mg – 10 mL
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Massa molar
Gel Permeation Chromatography (GPC)
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Massa molar (Leimann et al., 2013)
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas
• Caracterização de interações entre encapsulante e encapsulado
• DSC
• FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Calorimetria Diferencial de Varredura (Differential
Scanning Calorimetry, DSC)
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Calorimetria Diferencial de Varredura (Differential Scanning Calorimetry, DSC)
Tg
Tc
Tm
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização Térmica
• Calorimetria Diferencial de Varredura (Differential Scanning Calorimetry, DSC)
• Tg- Temperatura de transição vítrea: mobilidade das cadeiras poliméricas das regiões amorfas;
• Tc – Temperatura de cristalização: formação de regiões cristalinas pelo rearranjo das cadeias poliméricas liberação de calor latente (estado final é o de equilíbrio menor energia);
• Tm (ou Tf) – Temperatura de fusão cristalina: fusão completa das regiões cristalinas.
Tg Tc Tm
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização Térmica
• Calorimetria Diferencial de Varredura (Differential Scanning Calorimetry, DSC) (Cardoso et al., 2013)
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização Térmica (Maji e Hussain,
2008)
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização de interações entre encapsulante e encapsulado
FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier
Absorção de radiação IR
Vibração
Ligações covalentes
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização de interações entre encapsulante e encapsulado
FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas• Caracterização de interações entre encapsulante e encapsulado
FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Número de onda ( cm-1)
Óleo de café torrado
Microcápsulas
Mistura física
Amida monosubstituída
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas
• Eficiência de Encapsulação (EE) e % de Recuperação (Recovery Yield)
• Espectrofotometria UV-Vis;
• Cromatografia líquida de Alta Eficiência (CLAE) (High Performance Liquid Chromatography – HPLC).
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas
• CLAE
Curva Progesterona HPLC
23.11.2010
y = 52040x + 40163
R2 = 1
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
6000000
0 20 40 60 80 100 120
ug.ml
Áre
a (
mV
)
Curva de calibração
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas
• UV-Vis
Curva de calibração
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 10 20 30 40 50
Curva padrão 1Curva padrão 2Curva padrão 3
y = 0,049189 + 0,055692x R= 0,99721
y = 0,060655 + 0,054888x R= 0,99675
y = 0,055186 + 0,055128x R= 0,99713
Ab
sorb
ân
cia
Concentração de curcumina (mg/mL)
465 nm
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas
• % Recuperação
Secagem 1 mLsuspensão de
nanop.
Solubilização em solvente do
pol. e do composto enc.
(CE)
Adição de não solv. do pol.
(que seja sol. do CE)
Filtro com membrana PTFE (0,25
micra)
Diluição (se necessário)
HPLC UV-Vis
Área pico em t (min) de retenção
Absorbância em λ (nm)
Calibração concentração
Calibração concentração
Massa CE real
(mR)
0
.100%
m
mR R
Massa CE
teórica (m0)
Teor de sólidos
Caracterização de nanopartículas
biopoliméricas
• Eficiência de encapsulação
Centrifugação1 mL suspensão de nanop. em
Amicon
Líquido separado
Adição de solvente do CE ao sólido retido
Nova centrifugação
Adição de solv. do CE e não solv
do pol.
HPLC UV-Vis
Área pico em t (min) de retenção
Absorbância em λ (nm)
Calibração concentração
Calibração concentração
Massa CE
livre (mL)
R
LR
m
mmEE
).(100
Massa CE real
(mR)Filtro com membrana PTFE (0,25
micra)
Teor de sólidos
Degradação de Biopolímeros
• Degradação:
• Degradação abiótica;
• Assimilação microbiana.
• Mecanismos de degradação:
• Oxidação;
• Degradação por fotólise (UV);
• Degradação térmica;
• Hidrólise química;
• Hidrólise enzimática.
Degradação de Biopolímeros
• Oxidação:
• Ataque das ligações covalentes por agentes oxidantes (O2, O3, etc) produzindo radicais livres (Lucas et al., 2008);
• Sinergético ao mecanismo de degradação por UV e temperatura.
Gupta e Deshmukh 1982.
Degradação de Biopolímeros• Fotólise:
• Criação de sítios instáveis nas moléculas pela energia carregada pelos fótons fotoionização, luminescência, fluorecência, radiação térmica.
Tsuji, Echizen e Nishimura 2006.
Degradação de Biopolímeros
• Hidrólise química:
• Quebra (lise) de grupos componentes da cadeia polimérica susceptíveis ao ataque da H2O;
• Catálise em meio ácido ou básico;
• Afetada por:• Hidrofobicidade;
• Tg;
• % de cristalinidade.
Degradação de Biopolímeros• Hidrólise química:
• Hidrólise ácida de poliéster (ex: PLLA)
Degradação de Biopolímeros• Hidrólise química:
• Hidrólise básica de poliéster (ex: PLLA)
Degradação de Biopolímeros• Hidrólise química:
• PLLA• Tg = 60°C
• %Cristalinidade = 37%
• PET• Tg = 69°C
• % Cristalinidade = 60%
Qual dos dois poliésteres
apresenta maior taxa de degradação?
Degradação de Biopolímeros
• Hidrólise enzimática:
• Quebra (lise) de grupos componentes da cadeia polimérica susceptíveis ao ataque da H2O;
• Catálise em meio ácido ou básico;
• Afetada por:• Hidrofobicidade;
• Tg;
• % de cristalinidade.
Filmes de Biopolímeros
• Filmes
• Produtos flexíveis sacolas, embalagens, bobinas, etc.
• Produção:
• Casting (deposição);
• Extrusão.
• Filmes comestíveis• Barreira a elementos externos (microorganismos,
umidade, óleos, gases e vapores) carnes, aves, peixes frescos, frutas e verduras (Du et al., 2011).
Filmes de Biopolímeros
• Obtenção de filmes por casting
Solução filmogênica.
Filmes de Biopolímeros
• Obtenção de filmes por casting
• Solução filmogênca polímero+solvente+plastificante;
• Plastificante redução das interações tipo ligação de hidrogênio maior flexibilidade (mobilidade molecular).• Sorbitol;
• Glicerol (Shirai et al., 2013).
Filmes de Biopolímeros
• Obtenção de filmes por extrusão• Calandra resfriada
Filmes de Biopolímeros
• Obtenção de filmes por extrusão• Sopro
Filmes de Biopolímeros
• Propriedades mecânicas (Texturômetro)
• Aplicação de força
Tração Compressão Cisalhamento Perfuração
• Propriedades mecânicas ensaio de tração
Tensão e
deformação
até a rupturaTensão de
escoamento
Filmes de Biopolímeros
• Propriedades mecânicas
Baixa deformação na rupturaFragilidade
Extensão (%) da deformação
até a rupturaDuctibilidade
Capacidade de absorver a
energia mecânica até a
fratura (Área sob a curva)
Tenacidade
Filmes de Biopolímeros• Propriedades mecânicas
• Deformação elástica distância entre os átomos (comportamento viscoelástico).
Tempo Temperatura
Filmes de Biopolímeros• Propriedades mecânicas
• Deformação Plástica ligações intermoleculares.
Tempo Temperatura
Filmes de Biopolímeros• Propriedades mecânicas
• Módulo de Young ou Elasticidade
Onde:
ε- deformação
σ- tensão
E
Filmes de Biopolímeros• Propriedades mecânicas
Ductibilidade
Tenacidade
100.)(
%0
0
l
lloElongament
f
LoLf
Área sob a curva
Filmes de Biopolímeros• Propriedades mecânicas
• Comportamento Informações obtidas
A - Frágeis; B - Dúcteis; C - Elastômeros
Filmes de Biopolímeros• Propriedades mecânicas
http://www.ct.ufrgs.br/ntcm/graduacao/ENG06638/IEM-Texto-5.pdf
Filmes de Biopolímeros• Propriedades mecânicas
Termoplásticos com Tg
acima da temperatura de
ensaio
Termorígidos com elevada
concentração de ligação cruzada
ou reticulação
Fragilidade
Acima da Tg e baixa cristalinidadeDuctibilidade
Elevada cristalinidade
Filmes de Biopolímeros• Propriedades mecânicas
• Comportamento Informações obtidas
E
Sem deformação
plástica
E
Elevada
deformação
plástica
E
Pouca
deformação
plástica
E
Elevada
deformação
plástica
Filmes de Biopolímeros• Propriedades mecânicas
• Efeito da umidade da amostra
0 50 100 150 200 250 300 350
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Resistência à Tração
PA 4,6 100%
Te
nsã
o (
MP
a)
Deformação (%)
0% umidade
4% umidade
8% umidade
12% umidade
• http://www.hsc.csu.edu.au/senior_science/options/polymers/2973/SS951.html
• http://www.sas.upenn.edu/~patricam/e-portfolio4.htm
• http://www.infoescola.com/plantas/clorofila/
• http://chemistry.about.com
• http://webbook.nist.gov
• http://scixchange.missouri.edu/
• http://ocw.mit.edu/index.htm
• Pérez S, Baldwin P, Gallant DJ (2009) Structural features of starch. In: Starch-Chemistry and Technology, 3rd edition. BeMiller J, WhistlerR (eds.). pp149-192. New York, NY, USA: Academic Press.
Refs