Immobilization of laccase on poly(propylene-styrene)/polyacrylonitrile core-shell particles for doxorubicin degradation

Abstract

Fármacos anticancerígenos foram recentemente detectados em águas residuais hospitalares, bem como em amostras de águas superficiais. Nesse contexto, a doxorrubicina (DOX), um medicamento frequentemente utilizado no tratamento de câncer, foi encontrada em águas residuais em concentrações de µg L-1. Mesmo em baixas concentrações, resíduos de DOX podem oferecer riscos ao ecossistema, tornando imperativa a busca por uma forma eficiente de remover esse composto do meio ambiente, a qual pode ser alcançada por meio de um sistema enzimático utilizando lacase como catalisador. Neste trabalho, a imobilização da lacase em um suporte polimérico de morfologia casca-núcleo foi investigada. Durante o desenvolvimento do trabalho, partículas comerciais de PP e partículas de PP/PS (preparadas por polimerização em suspensão semeada usando estireno) foram testadas como componentes centrais da estrutura final casca-núcleo (CS), enquanto a casca foi preparada por polimerização em solução de acrilonitrila com precipitação. Durante a síntese da casca de poliacrilonitrila (PAN), o grau de inchaço das partículas do núcleo no estireno desempenhou um papel importante na adesão. O grau de intumescimento das partículas de PP foi de 24% (m/m), enquanto as partículas híbridas de PP/PS exibiram um intumescimento de 57% (m/m). Após a síntese, as partículas (PP/PS e CS) foram submetidas à análise de imagens (MEV e microscopia óptica, OM), revelando uma superfície uniforme e lisa para PP/PS e a formação de uma casca porosa uniforme para partículas de CS. A partícula CS obtida com sucesso foi formada por um núcleo de PP/PS e casca de PAN com tamanho de 4,54 ± 1,24 mm, área específica de 2,70 m2 g-1 e composição de PAN igual a 15,98 ± 0,82% (m/m) de partícula total. Este suporte foi submetido a algumas etapas de funcionalização antes da imobilização de lacase. Comprovou-se durante os testes que o tratamento com glutaraldeído foi o mais importante para a imobilização da enzima. Dessa forma, o suporte escolhido como base para o derivado enzimático foi tratado apenas com duas etapas de funcionalização (tratamento no NaOH e glutaraldeído). Os resultados obtidos revelaram um rendimento de imobilização de lacase superior a 50%, com possibilidade de alcançar rendimentos ainda superiores aumentando-se a quantidade de suporte oferecido na solução de imobilização, com uma quantidade aproximada de 1,2 mg de lacase/g de suporte. O derivado enzimático demonstrou maior resistência térmica em relação à lacase livre, além de permitir reaproveitamento do sistema catalítico em mais de cinco ciclos de uso. Nos testes de degradação da DOX foi obtida degradação acima de 92% para todas as concentrações do fármaco avaliadas (250 µg L-1 e 500 µg L-1) em tempo inferior (o suporte com a lacase atingiram a degradação da DOX 40% mais rápido em relação à lacase livre) ao alcançado pela lacase em sua forma livre e com produtos de degradação menos tóxicos do que a DOX em várias concentrações, demostrando a eficácia do derivado enzimático no processo.

Abstract: Anticancer drugs have recently been detected in hospital wastewater and surface water samples. In this context, Doxorubicin (DOX), a medicine frequently used to treat various types of cancer, was found in wastewater at concentrations of µg L-1. Even in small concentrations, DOX residues can pose risks to the ecosystem, making the search for an efficient way to remove this compound from the environment imperative. This removal can be achieved through an enzymatic (biocatalytic) system using the enzyme laccase. This work investigated the immobilization of laccase on polymeric support with shell-core morphology. During the development of the work, commercial PP particles and PP/PS particles (prepared by seeded suspension polymerization using styrene) were tested as central components of the final shell-core (CS) structure. In contrast, the shell was prepared through seed polymerization of an acrylonitrile solution with precipitation. During polyacrylonitrile (PAN) shell synthesis, the degree of swelling of the core particles in styrene played an important role in adhesion. The degree of swelling of the PP particles was 24% (m/m), while the PP/PS hybrid particles exhibited a swelling of 57% (m/m). After synthesis, the particles (PP/PS and CS) were subjected to image analysis (SEM and optical microscopy, OM), revealing a uniform and smooth surface for PP/PS and forming a uniform porous shell for CS particles. The successfully obtained CS particle was formed by a PP/PS core and PAN shell with a size of 4.54 ± 1.24 mm, a specific area of 2.70 m2 g-1, and PAN composition equal to 15.98 ± 0.82% (m/m) of the total particle. This support was subjected to some functionalization steps before laccase immobilization. During the tests, the treatment with glutaraldehyde was the most important step for immobilizing the enzyme. Therefore, the support chosen as the basis for the enzyme derivative was treated with only two functionalization steps (treatment in NaOH and glutaraldehyde). The results obtained revealed a laccase immobilization yield greater than 50%, with the possibility of achieving even higher yields by increasing the support offered in the immobilization solution, with an approximate amount of 1.2 mg of laccase/g of support. The enzymatic derivative demonstrated greater thermal resistance compared to free laccase, in addition to being able to reuse the catalytic system in more than five cycles of use. In DOX degradation tests, degradation above 92% was obtained for all drug concentrations evaluated (250 µg L-1 and 500 µg L-1) in a shorter time (the support with laccase achieved DOX degradation 40% more faster in relation to free laccase) than achieved by laccase in its free form and with less toxic degradation products than DOX in various concentrations, demonstrating the effectiveness of the enzymatic derivative in the process.