Uso de lipases na (bio)modificação superficial do poliéster para incorporação de nanopartículas de quitosana

Abstract

O poliéster é uma fibra sintética com excelentes propriedades físicas, como alta resistência ao desgaste ou estiramento, baixo índice de encolhimento e rugosidade, tornando-se um material prático, de baixo custo e com menor necessidade de manutenção. No entanto, o poliéster possui limitações e características, muitas vezes, indesejáveis que necessitam ser melhoradas, como a sua natureza hidrofóbica, que dificulta o processo de tingimento, o acúmulo de carga eletrostática e a inflamabilidade. Uma das formas de funcionalizar materiais têxteis e, assim, alterar algumas de suas propriedades indesejadas, é a modificação química superficial da fibra. No que diz respeito à modificação superficial do poliéster, a biocatálise tem se mostrado uma metodologia interessante de ser explorada. O uso de lipases, por exemplo, pode resultar na hidrólise dos grupamentos ésteres presentes na superfície do material gerando grupamentos COOH e OH, o que por si só já melhora a hidrofilicidade do mesmo. Embora pouco comum, a incorporação por ligação covalente pode ser conseguida a partir do material hidrolisado, devido aos grupamentos reativos, o que pode gerar o melhoramento do produto final com alta durabilidade. Bases biopoliméricas e seus nanossistemas podem agregar diferentes propriedades aos tecidos e tem atraído muita atenção. Por esta razão, as nanopartículas de quitosana (QNps) são interessantes candidatas para a combinação à fibra de poliéster, já que são biocompatíveis, biodegradáveis e possuem uma série de propriedades, como retardante de chamas. Neste sentido, este projeto de pesquisa realizou um estudo completo de otimização da ação de 18 lipases comerciais para realizar a hidrólise superficial do poliéster com a posterior ligação covalente de QNps à fibra, variando valores de pH, tempo, temperatura e concentração de enzima. A hidrólise do poliéster foi eficientemente alcançada com a lipase A de Aspergillus niger em condições brandas (30 mg de enzima, pH 7, 40 °C, 90 min), confirmada por ensaios de titulação e tingimento. As QNps foram sintetizadas por gelificação iônica no dispersor Ultra-Turrax ou processador ultrassônico, mostrando-se menores e mais homogêneas com o Ultra-Turrax. A incorporação das QNps no tecido hidrolisado, testada com várias estratégias, conferiu grupos nitrogenados na superfície do tecido, melhorando seu tingimento com corante ácido. A exposição Ultravioleta (UV) por 4h aumentou a taxa de incorporação das QNps. A modificação do poliéster não alterou sua capacidade de tingimento com corante disperso e conferiu propriedades retardantes de chamas, anti-gotejamento e aumentou o bloqueio dos raios UV, embora sem atividade antimicrobiana significativa. A hidrólise enzimática foi eficaz para gerar os grupos necessários na superfície do poliéster para interação com as QNps, desenvolvendo uma metodologia branda e eficiente para modificação superficial do tecido.

Abstract: Polyester is a synthetic fiber with excellent physical properties, such as high resistance to wear or stretching, low shrinkage, and roughness, making it a practical, low-cost material requiring less maintenance. However, polyester has limitations and often undesirable characteristics that need to be improved, such as its hydrophobic nature, which makes the dyeing process complicated, the accumulation of electrostatic charge, and flammability. One of the ways to functionalize textile materials and, thus, change some of their unwanted properties is the surface chemical modification of the fiber. About the surface modification of polyester, biocatalysis has proven to be an exciting methodology to explore. The use of lipases, for example, can result in the hydrolysis of ester groups present on the surface of the material, generating COOH and OH groups, which improves its hydrophilicity. Although uncommon, incorporation by covalent bonding can be achieved from the hydrolyzed material due to reactive groups, enhancing the final product with high durability. Biopolymeric bases and their nanosystems can add different properties to fabrics and have attracted much attention. For this reason, chitosan nanoparticles (QNps) are an exciting candidate for combining with polyester fiber, as they are biocompatible, biodegradable, and have a series of exciting properties, such as flame retardancy. In this sense, this research carried out a complete study to optimize the action of 18 commercial lipases to carry out the surface hydrolysis of polyester with the subsequent covalent bonding of QNps to the fiber, varying pH values, time, temperature, and amount of enzyme. Polyester hydrolysis was efficiently achieved with lipase A from Aspergillus niger under mild conditions (30 mg enzyme, pH 7, 40 °C, 90 min), confirmed by titration and dyeing assays. The QNps were synthesized by ionic gelation in the Ultra-Turrax disperser or ultrasonic processor, making them smaller and more homogeneous with the Ultra-Turrax. The incorporation of QNps into the hydrolyzed fabric, tested with several strategies, generated nitrogenous groups on the surface of the fabric, improving dyeing with acid dye. Ultraviolet (UV) exposure for 4h increased the incorporation tax of QNps. Modifying the polyester did not alter its dyeability and provided flame retardant, anti-drip properties, and increased UV blocking, although it did not have significant antimicrobial activity. Enzymatic hydrolysis effectively generated the necessary groups on the polyester surface for interaction with QNps, developing a mild and efficient methodology for surface modification of the fabric.