ISBN 978-85-85905-19-4
Área
Materiais
Autores
Araujo, J.A. (UFMA) ; Alcântara, A.C.S. (UFMA)
Resumo
O objetivo do presente trabalho é sintetizar materiais bionanocompósitos a partir da intercalação de gelatina em argila lamelar montimorillonita. Os materiais foram preparados baseados numa metodologia simplificada, que utiliza materiais biodegradáveis e a água como principal solvente, através de reações de troca catiônica. Foi possível obter materiais que apresentam diferentes graus de intercalação, característica atribuída à proporção mássica inicial biopolímero- argila. Além disso, os materiais bionanocompósitos sintetizados apresentam potencial como ecoadsorventes para remover contaminantes orgânicos em meio aquoso.
Palavras chaves
bionanocompósitos; montmorillonita; gelatina
Introdução
O estudo de materiais nanoestruturados de natureza mista organo-inorgânica tem adquirido uma grande importância nos últimos anos devido à necessidade de preparar materiais funcionais com propriedades pré-determinadas. Quando a parte orgânica é um polímero de origem natural, esses materiais são denominados bionanocompósitos. Essa classe emergente de híbridos é resultante da combinação de biopolímeros com sólidos nanoporosos que interagem na escala nanométrica[1]. Dentre esses sólidos, os argilominerais ocupam uma posição de destaque graças a propriedades que despertam grande interesse, como a expansão da estrutura lamelar em esmectitas (ex. montmorillonita), alta área superficial e baixo custo, além de serem biodegradáveis e naturalmente disponíveis no ambiente, o que torna tanto as argilas naturais quanto os seus respectivos compósitos em materiais promissores. A gelatina é um tipo biopolímero derivado do colágeno que pode apresentar caráter catiônico, e ser usada para intercalar superfícies negativas de argilominerais na síntese de materiais bionanocompósitos através de reações de troca catiônica[2]. Essa estratégia tem sido reportada em aplicações diversas, como a preparação de filmes para embalagens de alimentos[3,4], formulação de sistemas dispensadores de fármacos[5], e síntese de ecoadsorventes para a remoção de íons metálicos em meio aquoso[6]. Nesse contexto, este estudo está motivado pela necessidade crescente de conseguir materiais específicos que apresentem propriedades múltiplas, às vezes bio-inspiradas, que nem sempre são próprias de um material único, mas da sinergia de seus componentes. Assim, o objetivo do presente trabalho é preparar materiais bionanocompósitos a partir de gelatina intercalada em argila lamelar montmorillonita.
Material e métodos
O método empregado na preparação desses materiais biohíbridos foi baseado na incorporação de gelatina nas estruturas lamelares da montmorillonita. Para tanto, foram preparadas amostras em diferentes proporções mássicas argila/biopolímero, com o objetivo de observar a influência da quantidade inicial de gelatina no processo de intercalação e formação dos nanocompósitos sintetizados. Inicialmente, uma série de quatro dispersões foram preparadas utilizando-se 1 g de CloisNa dispersa em 100 mL de água deionizada, mantendo- as sob agitação magnética intensa à temperatura ambiente durante 3 h. Após este intervalo, as amostras foram submetidas a um tratamento em banho ultrassônico a 35 °C por um intervalo de 10 min. Enquanto isso, diferentes quantidades de gelatina foram adicionadas a volumes distintos de 100 mL de água pré-aquecida (mantida a 35±3 °C) sob agitação magnética intensa e, em seguida, lentamente adicionadas às dispersões de CloisNa, para resultar em misturas com proporções mássicas finais de 1:0,1, 1:0,2, 1:0,5 e 1:1, com respeito à relação CloisNa/Gel, respectivamente. Logo depois, foi permitido que as misturas obtidas retornassem à temperatura ambiente, preservando-as sob agitação magnética moderada durante 24 h. Ao término deste tempo, os materiais resultantes foram separados por centrifugação a 4000 rpm por 20 min, e encaminhados para secagem em uma estufa à temperatura de 60°C durante 24 h. Por fim, as amostras secas foram armazenadas em local adequado, à temperatura ambiente, denominando-as CloisNa-0,1Gel, CloisNa-0,2Gel, CloisNa-0,5Gel e CloisNa-1Gel, para as proporções de 1:0,1, 1:0,2, 1:0,5 e 1:1 de CloisNa:Gel, respectivamente. Os materiais foram caracterizados por análises de DRX, FTIR e MEV.
Resultado e discussão
A intercalação da gelatina no espaço lamelar da CloisNa é confirmada
por difratogramas de raios-X (DRX) através do deslocamento da reflexão (001)
para baixos ângulos de 2θ, observado nos materiais sintetizados, de forma que a
distância entre as lamelas de silicato aumentou à medida que a proporção inicial
biopolímero-argila usada foi acrescida. Espectros de FTIR foram
usadas para identificar interações entre a superfície mineral e as cadeias
proteicas da gelatina através de bandas de absorção em frequências que
caracterizam a presença de resíduos de aminoácidos. O complexo conjunto de
bandas que aparecem em torno de 3315[cm][/-1] é atribuído a vibrações de
estiramento de grupos amidas A, enquanto as bandas identificadas em
frequências próximas a 2950[cm][/-1] são frequentemente atribuídas a vibrações
de estiramento de amidas B. As vibrações características dos grupos
amidas I, amidas II e amidas III são observadas em frequências de 1665[cm][/-1],
1545[cm][/-1] e 1240[cm][/-1], respectivamente. É provável que a fase orgânica
intercalada esteja organizada na forma de monocamadas automontadas, que não só
interagem entre si mediante atrações entre grupos aminos e carboxílicos da
estrutura proteica como também através de fortes atrações estabelecidas entre as
cadeias polipeptídicas protonadas e as superfícies negativas do silicato
argiloso, resultando em uma fase intercalada com diferentes níveis de
organização. A morfologia dos materiais CloisNa e CloisNa-0,2Gel foi comparada
por imagens de SEM, sendo possível observar que a associação do proteína ao
mineral proporcionou uma nova textura ao material biohíbrido, onde nota-se a
ocorrência de uma morfologia com organização de camadas sobrepostas, típica de
materiais híbridos à base de montmorillonita.
A proporção CloisNa:Gel aumenta no sentido de baixo para cima nas curvas apresentadas nas figuras (i) e (ii); a curva 'b' em (ii) é o espectro da Gel.
Argila CloisNa e material biohíbrido CloisNa-0,2Gel, em detalhe. Aumento: 5000x; Barra de escala: 10 μm.
Conclusões
A partir dos resultados apresentados, foi possível indicar que o grau de intercalação em gelatina em argila lamelar montmorillonita aumentou em função da concentração inicial da solução biopolimérica precursora. Além disso, a interação química entre as fases orgânica e inorgânica foi confirmada por estudos de FTIR, e a mudança textural foi observada por imagens de MEV. Por fim, os bionanocompósitos sintetizados apresentam potencial para serem aplicados como materiais ecoadsorventes para remediação de contaminantes orgânicos em meio aquoso, como foi constatado em experimentos em andamento.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq, FAPEMA e UFMA.
Referências
[1] RUIZ-HITZKY, E.; FERNANDES, F. M. Progress in Bionanocompistes: From green plastics to biomedical applications. Progress in Polymer Science, 38, 2013. 1391. Guest editorial.
[2] TALIBUDEEN, O. Interlamellar Adsorption of Protein Monolayers on Pure Montmorillonoid Clays. Nature, 166, 1950. 236.
[3] BAE, H. J. et al. Effect of clay content, homogenization RPM, pH, and ultrasonication on mechanical and barrier properties of fish gelatin/montmorillonite nanocomposite films. LWT - Food Science and Technology, 42, 2009. 1179–1186.
[4] VALENCIA, G. A. et al. Physical and morphological properties of nanocomposite films based on gelatin and Laponite. Applied Clay Science, 124–125, 2016. 260-266.
[5] KEVADIYA, B. D. et al. Biodegradable gelatin-ciprofloxacin-montmorillonite composite hydrogels for controlled drug release and wound dressing application. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 122, 2014. 175–183.
[6] QIU, J. et al. Adsorption performance of low-cost gelatin–montmorillonite nanocomposite for Cr(III) ions. RSC Adv., 5, 2015. 58284–58291.
[7] ZHENG, J. P. et al. Gelatin/montmorillonite hybrid nanocomposite. I. Preparation and properties. J. Appl. Polym. Sci., 86, 2002. 1189-1194.
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