biomateriais + nanotecnologia perspectivas e desafios para

Biomateriais + Nanotecnologia – perspectivas e desafios para

aplicações práticas Caue Ribeiro

Senior Researcher

Coordinator – Research Network in Nanotechnology applied to

Agribusiness – Agronano Network

Coordination: Embrapa Instrumentação + 150 researchers/ 50 institutions Research: •Sensors and biosensors •Edible films and smart packaging •Bionanocomposites •Novel applications for synthetic materials in agri’s •Impact assessment in nano’s + agri’s •Technology transference in nano’s + agri’s

https://www.embrapa.br/nano


WoS report of publications (nanotechnology and related terms) in Embrapa

Technical Workshops

* Joint organization - FAO – Embrapa

49 resumos

extendidos

87 resumos

extendidos 206

resumos*

166 resumos

extendidos 192 resumos

extendidos

156 resumos

extendidos


Perspectivas e desafios

Uso/valoração de resíduos

Novos usos para biomateriais estabelecidos

Ciclo de vida (descarte amigável)

? Performance em comparação a materiais convencionais

? Capacidade de produção em grande escala

Filmes biodegradáveis por laminação

Aplicação em Tecnologia de Alimentos

Peachs (Prunus persica L.)

Losses occurs during

processing of most fruits

Carriots (Daucus carota L.)

(Losses of 40%)

NEW APPROACH FOR BIOPOLYMERS PROCESSING

Dr. Tara McHugh, leading scientist in fruit puree edible films for

food packaging (WRRC-ARS/USDA).

Summary of Mechanical Properties of polysaccharide films made by continuous casting*

Polymer Elastic Modulus (MPa)

Tensile Strength (MPa)

Elongation at Break (%)

Pectin 3000 - 4000 20 - 100 2 - 4

Chitosan 1900 - 3000 20 - 50 2 - 18

HPMC 1500 - 2000 30 – 40 4 - 10

CMC 1000 - 1200 6 – 17 6 - 20

Starch 1000 - 1200 15 - 20 2 - 5

LLDPE** 130 - 520 9 – 20 100 - 1200

LHDPE** 60 - 290 10 - 60 N.D.

Data were collected following the ASTM D 882 protocol, cross-head speed of 10 mm min-

1* , load cell of 10 Kgf. A. Prasad, Polymer Data Handbook, J. E. Mark, Ed. Oxford University Press, Oxford, 1999, 524.

Wood Fibers Nanocrystal Modulus of elasticity 10 GPa 40-70 GPa 130-250 GPa

Tensile strength 100 MPa 130-250 MPa 800-10.000 MPa

Wang, Forestry, Wildlife & Fisheries University of Tennessee, FWF Seminar September 24, 2007

cristalite

Cellulose nanowhiskers from coconut fiber

SEM / TEM

nanowhiskers

coir - T2 (120 min)

nanowhiskers

coir - T1 (90 min)

nanowhiskers

cotton - T1 (90 min)

nanowhiskers from coconut

• different shape

• lengh: 100 – 500 nm

• diameter: 4 – 6 nm

• aspect ratio ~ 28

bleached coconut fiber

Nanocomposite Edible Films from Mango Puree Reinforced with Cellulose Nanofibers

AZEREDO, H. M. C.; MATTOSO, L.H.C. ; WOOD, D. ; WILLIAMS, T.G. ; AVENA-BUSTILLOS, R.J. ; McHUGH, T.H. Journal of Food Science, v. 74, p. N31-N35, 2009.

HPMC films incorporated with cellulose fiber using microfluidizer technique: (a) Zero passes; (b) after seven passes; (c) after 10 passes; and (d) after 20 passes through the microfluidizer.

* M. R. de Moura, R. J. Avena-Bustillos, T. H. McHugh, D. F. Wood, C. G. Otoni, L. H. C. Mattoso. Journal of Food Engineering, 104, 154 (2011).

Effect of cellulose fibers (CF1) reduced in sizes after successive passes in a Microfluidizer on thickness, elastic modulus, and elongation of HPMC films.

Particle size of hydroxylpropyl methylcellulose/cellulose fiber film-forming solutions affected by increasing number of passes in a Microfluidizer.

* M. R. de Moura, R. J. Avena-Bustillos, T. H. McHugh, D. F. Wood, C. G. Otoni, L. H. C. Mattoso. Journal of Food Engineering, 104, 154 (2011).

Reinforcement and novel properties: Nanoparticles of biopolymers (chitosan, pectin, starch, nanocellulose)

Applications: packaging, antimicrobial, strength reinforcement, controlled release

Chitosan-NP synthesis

TPP Solution

QS Solution

Stirring

CSNP

Ionotropic gelation

Chitosan

tripolyphosphate

Chitosan Chitosan

NH3+

NH3+

NH3+

NH3+

NH3+

NH3+

+H3

N

+H3

N

+H3

N

+H3

N

+H3

N +H3

N

CSNP

HPMC film

Tensile Strength = ± 29 MPa

0 5 10 15 20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

CS-NP/ 60 nm CS-NP/ 80 nm

only CS solution

only HPMC

Te

ns

ile

Str

en

gth

(M

Pa

)

% of chitosan in HPMC

CS-NP/ 110 nm

Chitosan-PMAA NP/HPMC films

Moura et al. Journal of Colloid and Interface Science, v. 321, p. 477-483, 2008

Moura et al. Journal of Food Engineering, v. 92, p. 448-453, 2009

Inhibition zones. Typical inhibition zones created around (A) HP, (B) HPP, (C) HPP7, (D) HPP12, and (E) HPP16 films against Salmonella enterica.

Pectin/papaya puree/cinnamaldehyde

nanoemulsion edible films

OTONI, C.G.; MOURA, M.R. ; AOUADA, F.A. ; CAMILLOTO, G.P. ; CRUZ, R.S. ; LOREVICE, M. V. ; SOARES, N.F.F. ; MATTOSO, L.H.C. Food Hydrocolloids, v. 41, p. 188-194, 2014.

Biomateriais para liberação lenta / controlada

Aplicação em Insumos (fertilizantes /defensivos/ veterinária)

Conceitos

Liberação comum Liberação lenta

Liberação controlada

tempo

Qu

anti

dad

e lib

era

da

Faixa de interesse

Coberturas poliméricas biodegradáveis: PU a partir de óleos vegetais

Bortoletto-Santos, Ribeiro e Polito, J. Appl. Polym. Sci., 2016

Shape matters: Sustainable release of progesterone nanofibers (electrospinning / solution blow spinning)

Journal of Applied Polymer Science, v. 127, p. 4463-4469, 2013 Journal of Nanoscience and Nanotechnology, v. 10, p. 5144-5152, 2010

Biodegradable matrix

input

a) 100PEC:40G, b) 100TPS:40G, c) 50TPS:50PEC:40G e d) 25TPS:75PEC:40G

Blendas TPS/PEC com HA para Liberação controlada de fosfato em meio aquoso

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

So

lub

ilid

ad

e (

pp

m)

Tempo (h)

0h

48h

96h

Patente requerida Embrapa / UFSCar (2014)

Nanocompósitos Amido / MMt / Ametrina

45

significativamente para 17%, 19% e 29%, respectivamente. A diferença

observada entre os perfis de liberação da ametrina pode ser explicada pelas

características estruturais dos nanomateriais.

0 50 100 150 200 250 300 350

0

20

40

60

80

100

St/Amet 1:1

1:2Amet

1:4 Amet

Ametrina

1:1 Amet

% L

ibera

da

Tempo/min 0 20 40 60 80 100 120 140 160

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

St/Amet 1:1

2a fase

% L

ibe

rad

a

Tempo/horas

1:2 Amet 1:4 Amet

Ametrina

1:1 Amet

1a fase

FIGURA 4.16 - Taxa de liberação de ametrina em função do tempo para

ametrina puro e cada um dos compósitos em pH 7 e à temperatura ambiente: (a)

ampliação da primeira fase e (b) curva completa de liberação.

Para o St/Amet 1:1 pode-se verificar um comportamento mais

próximo ao da ametrina pura: em apenas 20 minutos os grânulos de amido

absorvem água o suficiente para começar a liberação da ametrina, mostrando

que o uso apenas de amido como encapsulante não retarda a liberação do

herbicida.

Nota-se que a cinética de liberação para os nanocompósitos (1:1,

1:2 e 1:4 Amet) pode ser dividida em duas etapas. A primeira etapa é regida pela

difusão de água através dos grânulos de amido, onde estes tendem a inchar e a

relaxar os poros onde estariam presentes as moléculas de ametrina. Neste estágio

a concentração de amido é responsável pelo comportamento cinético da

liberação. Como pode ser observado na FIGURA 4.16a, os materiais que

apresentavam os maiores teores de amido foram os responsáveis pela menor

porcentagem de liberação. Com grânulos de amido já inchados, deu-se inicio a

(a) (b)

Journal of Applied Polymer Science, v. 131, p. 41188-1-9, 2014

Nanocompósitos Amido / MMt / Ametrina

Reactive & Functional Polymers, v. 93, p. 156-162, 2015

Nanocompósito para solubilização de fosfatos minerais

Giroto, Fidelis and Ribeiro. RSC Advances, v. 5, p. 104179-104186, 2015

biomateriais + nanotecnologia perspectivas e desafios para

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