Síntesis y conservación de nanocristales de celulosa

SALGADO, PABLO RODRIGO; DI GIORGIO, LUCIANA; MAURI, ADRIANA NOEMÍ; MARTIN, LUCIA

Buenos Aires

Simposio; XIII Simposio Argentino de Polímeros (SAP 2019).; 2019

IntroducciónEn los últimos años, ha crecido el interés en la obtención de nanopartículas a partir de polisacáridos, por su naturaleza biodegradable, renovable, biocompatible, fácil obtención y bajo costo.La celulosa es el polímero natural más abundante disponible en la tierra y el componente estructural principal de la pared celular de las plantas. Es un homopolisacárido lineal de alto peso molecular formado por unidades de β-1,4-D-glucosa. La capacidad de sus grupos hidroxilo para formar enlaces de hidrógeno fuertes es la razón principal de su compleja organización microfibrilar formada por fracciones cristalinas y amorfas y su naturaleza altamente cohesiva (Pasquini y col., 2010). Al someter a las microfibrillas a una hidrólisis ácida fuerte, bajo condiciones de temperatura, agitación y tiempo estrictamente controladas, las regiones amorfas son atacadas dejando las zonas cristalinas intactas, lo que da como resultado la formación de nanocristales de celulosa (NCC). Sus dimensiones nanométricas, gran relación de aspecto, alta cristalinidad y excelentes propiedades mecánicas y químicas, conducen a aplicaciones potenciales en distintas áreas, incluyendo la ciencia de materiales, electrónica y medicina, entre otras. Pero teniendo en cuenta que al final de su obtención los NCC se encuentran como dispersiones acuosas, y que así no pueden usarse directamente para muchas aplicaciones, entre ellas el procesamiento de polímeros hidrofobicos, es necesario avanzar en la deshidratación de los mismos con la premisa de que durante el proceso de secado se logre preservar la morfología y las propiedades de los nanocristales.El objetivo de este trabajo fue obtener y caracterizar nanorefuerzos de celulosa por hidrólisis ácida de celulosa microcristalina y evaluar cómo varían sus características según la técnica empleada para su conservación -dispersión refrigerada, liofilización, secado spray- y cómo afectan esos cambios en su redisolución.Materiales y métodosLos nanocristales de celulosa (NCC) se obtuvieron a partir de Celulosa microcristalina pH 101 (Cofem S.A., Lote: 4409111611, Argentina) por hidrolisis acida. La celulosa microcristalina se dispersó en H2SO4 63,5 % p/p en una relación 10% p/v, y se mantuvo en agitación continua a 350 rpm durante 2 horas a 45°C bajo campana. La dispersión resultante se lavó sucesivamente con agua destilada, centrifugando a 4427xg durante 15 minutos a 25°C hasta alcanzar aproximadamente un pH= 4 y se dializó 2 días a 4°C utilizando membranas de cut-off 14KDa. La dispersión dializada se sonicó 10 minutos con una potencia de 30% (225W) en un baño de hielo. A la dispersión de NCC se le agregaron 2 gotas de cloroformo como conservante y se separó en tres porciones, una se almacenó a 4°C (NCCdispersión), otra se secó por secado spray (90% de aspiración, Tin= 175±2°C, Tout= 93±2°C y caudal de alimentación de 6,67ml/min) (NCCspray) y la tercera se secó por liofilización (en bandejas de polipropileno, previa congelación a -80°C) (NCCliof). Todos los NCC se caracterizaron por su morfología (SEM), tamaño (AFM) e índice de cristalinidad (ICr por DRX). Finalmente, se evaluó la estabilidad de la re-dispersiones de los NCCspray y NCCliof preparadas con diferentes concentraciones y condiciones de ultrasonido: 1) a una potencia de 20% (150 W) por 2 s para la concentración de 0,3%p/v, 2) a una potencia de 20% por 20 s para la concentración de 3%p/v, 3) a una potencia de 80% (600 W) por 60 s para la concentración de 0,3%p/v y 4) a una potencia de 80% por 60 s para la concentración de 3%p/v. Las dispersiones resultantes se colocaron en celdas cilíndricas de vidrio y se registró su desestabilización por medio de fotografías y de la medida de porcentaje de luz dispersada (Backscattering) al inicio, a los 30 minutos y a las 24 h.Resultados y discusiónLa celulosa microscristalina de partida (MCC) tenía una apariencia de polvo cristalino fino blanco que por SEM mostró formas irregulares alargadas con tamaños superiores a los 50 μm. A partir de los picos observados por DRX se calculó el ICr que resultó ser de 78,49%.La dispersión de NCC obtenida presentó una apariencia homogénea, de color blanquecino, con cierta viscosidad y un contenido de 3%p/v de sólidos totales. El proceso resultó muy eficiente en la hidrólisis de las zonas amorfas de las fibras ya que los NCC obtenidos presentaron un ICr=98,09%. A partir de las fotografías obtenidas por AFM (Figura 1) se pudo observar la apariencia de tipo "varilla" o "aguja" que presentan los NCC en dispersión. A partir del AFM también se lograron obtener los tamaños de estas partículas con diámetros de 5,41 ± 1,84 nm y largos de 276,21 ± 94,80 nm, lo que implica una gran relación de aspecto (L/d) de 51,05.Luego de los procesos de deshidratación, los NCCspray y NCCliof presentaron un color blanco similar al de la dispersión de NCC, con apariencia de escamas en el caso del liofilizado y partículas esféricas muy pequeñas y porosas en el caso del secado spray. Al analizar la morfología por AFM, en todos los casos seSÍNTESIS Y CONSERVACIÓN DE NANOCRISTALES DE CELULOSADi Giorgio L, Martin L, Salgado PR, Mauri ANCentro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimentos (CIDCA, CONICET-UNLP-CIC), La Plata, Bs. As., Argentina.ludigiorgio99@gmail.comobservaron partículas esféricas con diámetros de 35 ± 19 nm y180 ± 97 nm para los secados por liofilización y sprayrespectivamente (Figura 1). Pero esas nanopartículas esféricas,mostraron cierto grado de agregación, con formas másenramadas en las secadas por liofilización y más al azar en elcaso de las procesadas por spray. Ambos espectros de DRXresultaron similares a los de la celulosa microcristalina. Seobservó que los liofilizados presentaron una cristalinidad algoinferior a la de los secados por spray (70,08 ± 2,41 vs.75,13 ±0,52), muy por debajo de la cristalinidad presentada por losNCC en dispersión.Por último, se evaluó la posibilidad de re-dispersar a lasnanofibras secas para su uso en dispersiones acuosas. Seprepararon dispersiones con la misma concentración de NCCque las dispersiones producto de la hidrólisis ácida (3%p/v).Luego de una hora de agitación, las dispersiones presentabanuna apariencia similar a la original, pero al detener la agitaciónlas dispersiones se volvieron inestables y a los pocos minutosse observó la precipitación de los NCC. En este sentido, unaalternativa propuesta fue tratar a las dispersiones condiferentes condiciones de ultrasonido. Los NCC liofilizados y redispersadosal 3%p/v tratados con la potencia de ultrasonidomás alta (600 W) y el mayor tiempo (60 s) (tratamiento 4)lograron mantener su estabilidad a lo largo de 24 h, noobservándose cambios en el perfil de backscattering (%BS)durante ese período (Figura 2.D) y manteniendo un valor de%BS de ≈34%. Los NCCliof y re-dispersados al 0,3%p/v con lasmismas condiciones de ultrasonido (tratamiento 3) (Figura2.C), tuvieron un valor de BS inicial más bajo que el anteriorpor la menor cantidad de sólidos y, si bien mostraron perfilesde BS sin modificaciones durante media hora, a las 24 hpresentaron un aumento en la parte inferior del tuboindicando que la dispersión se había desestabilizado y lossólidos habían sedimentado. Este resultado estaría indicandoque la concentración influye en la estabilidad de lasdispersiones obtenidas. Los tratamientos 1 y 2 (Figura 2.A y2.B) no fueron efectivos para mantener en suspensión a losNCC liofilizados en ningún momento. Por otro lado, ningúntratamiento fue efectivo para poder estabilizar la dispersión delos NCCspray (datos no mostrados), ya que a las 24 h el valor deBS aumentó en la parte inferior del tubo en todos los casos,siendo más evidente en los casos donde se aplicó eltratamiento 1 (%BS = 80%) y el tratamiento 2 (%BS = 73%).Por los perfiles obtenidos, es evidente que el proceso desecado y el tratamiento aplicado en la re-dispersión influyen enla estabilidad de las dispersiones resultantes.ConclusionesSe obtuvieron NCC a partir de la hidrólisis de celulosamicrocristalina. Los NCC sintetizados presentaron una altacristalinidad y una alta relación de aspecto (L/d). Lasdispersiones de NCC pudieron deshidratarse por liofilización ysecado spray, provocando la agregación de los nanocristales ymodificaciones en su morfología y cristalinidad. Los NCC secospresentaron baja dispersabilidad en agua, pero con eltratamiento de ultrasonido a 600 W, por 60 min en los NCCliofal 3%p/v se logró tener una dispersión estable por 24 h.