Membranas eletrofiadas de poli(ácido láctico) com incorporação de material hidrocrômico e nanopartículas de cobre para potencial aplicação em máscaras de proteção facial

Abstract

Em pandemias, como a da COVID-19, o uso de máscaras de proteção facial é de extrema importância para prevenção e redução da propagação do vírus. Dessa forma, o uso de máscaras de proteção facial é uma medida simples e eficaz que pode reduzir a pressão sobre os sistemas de saúde. Contudo, o hábito do uso diário dessas máscaras levou ao alto consumo desses produtos e uma elevada geração de resíduos. Além disso, sabe-se que quando a máscara atinge determinado grau de umidade perde a sua eficiência, sendo necessário realizar a sua troca. Posto isso, existe uma necessidade de se trabalhar técnicas e materiais para aliar melhores condições de combate e retenção destes agentes infecciosos, além de indicar a necessidade de troca da máscara e garantir a sustentabilidade do produto. Dentro deste contexto, o presente estudo tem por interesse utilizar a técnica de eletrofiação para fabricação de membranas de poli(ácido láctico) (PLA), incorporando material hidrocrômico e nanopartículas de cobre visando o uso em máscaras faciais biodegradáveis, hidrocrômicas e com propriedades antimicrobianas. A metodologia utilizada envolveu a formulação de soluções poliméricas de PLA, com incorporação de diferentes concentrações de material hidrocrômico (MH) (5, 10, 20 e 30%m) e nanopartículas de cobre (NPsCu) (0,5 , 1, 2 e 4%m). Uma ampla gama de análises foi conduzida, incluindo análises do MH sob MEV, DLS, FTIR, TGA e DSC, análise das NPsCu sob DLS e análises das membranas sob MEV, FTIR, TGA e DSC, juntamente com análise de hidrocromismo. As análises referentes ao MH demonstraram que ele é composto majoritariamente por água, resina acrílica e dióxido de titânio, apresentando partículas com tendência a formar aglomerados e morfologia individual semiesférica, com diâmetro hidrodinâmico médio de 245,2 nm. A análise de DLS referente as NPsCu demonstraram que elas possuem diâmetro hidrodinâmico médio de 1517 nm, indicando que possivelmente as partículas estavam aglomeradas. As análises das membranas demonstraram que a adição de MH provoca diminuição do diâmetro das fibras para as concentrações de 5 e 10%m e aumento do diâmetro para as concentrações de 20 e 30%m, aumento da estabilidade térmica e aumento do grau de cristalinidade das membranas para as concentrações de 20 e 30%m, evidenciando o efeito de agente nucleante do MH para essas concentrações. Já a adição de NPsCu provoca aumento do diâmetro das fibras, diminuição da estabilidade térmica e aumento significativo do grau de cristalinidade das membranas, evidenciando que as NPsCu também possuem ação de agente nucleante. As membranas obtidas apresentam fibras com morfologia uniforme e contínua, com a presença de aglomerados pontuais. As micrografias indicam que a maior parte do MH e das NPsCu foi encapsulada pelas fibras. As membranas eletrofiadas não apresentaram propriedade hidrocrômicas devido ao seu comportamento hidrofóbico que prejudica a ação do MH, uma vez que impede a interação dele com a água. Assim, as membranas obtidas, apesar de não apresentarem propriedade hidrocrômica, possuem caráter inovador e apresentam potencial para prosseguir com aprimoramentos e novas caracterizações visando a aplicação em máscaras de proteção facial.

In pandemics such as COVID-19, the use of face masks is extremely important for preventing and reducing the spread of the virus. Thus, wearing face masks is a simple and effective measure that can alleviate pressure on healthcare systems. However, the daily use of these masks has led to high consumption and increased waste generation. Additionally, it’s known that masks lose their efficiency when they reach a certain level of moisture, requiring replacement. Therefore, there is a need to develop techniques and materials to improve infection control, indicate when masks need replacing, and ensure product sustainability. In this context, the present study aims to use electrospinning to fabricate poly(lactic acid) (PLA) membranes by incorporating hydrochromic material and copper nanoparticles for use in biodegradable, hydrochromic, and antimicrobial facial masks. The methodology involved formulating PLA polymer solutions with different concentrations of hydrochromic material (HM) (5, 10, 20, and 30%wt) and copper nanoparticles (NPsCu) (0.5, 1, 2, and 4%wt). A wide range of analyses was conducted, including HM analyses via SEM, DLS, FTIR, TGA, and DSC; NPsCu analysis via DLS; and membrane analysis via SEM, FTIR, TGA, and DSC, along with hydrochromism analysis. The HM analyses showed it is mainly composed of water, acrylic resin, and titanium dioxide, with a tendency to form agglomerates and a semispherical individual morphology, having an average hydrodynamic diameter of 245.2 nm. The DLS analysis for NPsCu indicated an average hydrodynamic diameter of 1517 nm, suggesting possible agglomeration. Membrane analyses showed that HM addition decreased fiber diameter at 5 and 10%wt concentrations and increased it at 20 and 30%wt concentrations, improved thermal stability, and increased crystallinity at 20 and 30%wt, indicating nucleating effects of HM. The addition of NPsCu increased fiber diameter, decreased thermal stability, and significantly increased crystallinity, showing NPsCu also acts as nucleating agents. The resulting membranes displayed fibers with uniform, continuous morphology and occasional agglomerates. Micrographs indicated that most HM and NPsCu were encapsulated by fibers. The electrospun membranes didn’t exhibit hydrochromic properties due to their hydrophobic nature hindering HM's function by preventing water interaction. Although the membranes didn’t possess hydrochromic properties, they show innovative potential and can be further improved for application in face masks.