Bio-oxidação de etilhidroxietilcelulose (EHEC) e reticulação one pot com quitosana: uma abordagem promissora para a produção de biomateriais seguros

Abstract

A crescente demanda por materiais ambientalmente responsáveis tem impulsionado o desenvolvimento de biomateriais biodegradáveis, seguros e biocompatíveis. Nesse contexto, a etilhidroxietilcelulose (EHEC) surge como uma alternativa promissora, devido às suas propriedades físico-químicas favoráveis e à capacidade de formar filmes. Contudo, sua elevada hidrofilicidade limita aplicações que exigem resistência à umidade. Para contornar essa limitação, foi proposta a bio-oxidação enzimática da EHEC utilizando lacase Novoprime Base 286, a temperatura ambiente, com tempos reacionais de 1 a 4 h. Para otimizar essa etapa, foram avaliadas três metodologias de reticulação: (A) aquecimento, (B) emprego de EDC/DMAP e (C) radiação UV. As amostras foram comparadas quanto à solubilidade em água, à estabilidade estrutural e às propriedades térmicas. As análises de FTIR confirmaram a interação entre os grupos ?COOH da EHECox e ?NH2 da quitosana. As análises térmicas (TGA/DTGA e DSC) evidenciaram modificações nos perfis de degradação, com a principal etapa ocorrendo entre 250?380 °C, além de variações nas entalpias de fusão (?Hf ? 262 J/g para os filmes irradiados com luz ultravioleta (UV)), indicando maior organização intermolecular após reticulação. A metodologia por radiação UV (24 h) apresentou o melhor desempenho, resultando em filmes insolúveis em água e estruturalmente estáveis por até três meses em meio aquoso. Em pH acima de 10, os filmes permaneceram íntegros por mais de cinco meses, demonstrando elevada resistência à hidrólise. A formulação contendo 50% m/m de quitosana apresentou desempenho mecânico superior, com módulo de elasticidade de 775,6 ± 272,8 MPa, resistência à tração de 21,6 ± 4,4 MPa e alongamento de 7,2 ± 1,49%, o que representa um aumento aproximado de 47% no módulo elástico em relação à EHEC purificada (537,8 ± 214,6 MPa). O ângulo de contato de 75,2° no filme otimizado confirmou o aumento da hidrofobicidade após a reticulação. Os resultados demonstram que a bio-oxidação por 4 h, seguida de reticulação UV por 24 h, gerou filmes com maior resistência mecânica, estabilidade térmica e resistência à solvatação, confirmando sua adequação para aplicações em meio aquoso.

Abstract: The growing demand for environmentally responsible materials has driven the development of biodegradable, safe, and biocompatible biomaterials. In this context, ethyl hydroxyethyl cellulose (EHEC) emerges as a promising alternative due to its favorable physicochemical properties and film-forming ability. However, its high hydrophilicity limits its applications in moisture-resistant environments. To overcome this limitation, enzymatic bio-oxidation of EHEC using laccase Novoprime Base 286 was proposed, conducted at room temperature with reaction times ranging from 1 to 4 h. To optimize this stage, three crosslinking methodologies were evaluated: (A) heating, (B) EDC/DMAP coupling, and (C) ultraviolet (UV) radiation. The samples were compared with respect to water solubility, structural stability, and thermal properties. FTIR analyses confirmed the interaction between ?COOH groups of oxidized EHEC (EHECox) and ?NH2 groups of chitosan. Thermal analyses (TGA/DTGA and DSC) revealed modifications in degradation profiles, with the main degradation stage occurring between 250?380 °C, as well as variations in melting enthalpy (?Hf ? 262 J/g for UV-irradiated films), indicating increased intermolecular organization after crosslinking. The UV radiation methodology (24 h) showed the best performance, yielding water-insoluble films that remained structurally stable for up to 3 months in aqueous media. At pH values above 10, the films remained intact for more than five months, demonstrating high hydrolytic resistance. The formulation containing 50 wt% chitosan exhibited superior mechanical performance, with an elastic modulus of 775.6 ± 272.8 MPa, tensile strength of 21.6 ± 4.4 MPa, and elongation at break of 7.2 ± 1.49%, representing an approximately 47% increase in elastic modulus compared to purified EHEC (537.8 ± 214.6 MPa). The contact angle of 75.2° for the optimized film confirmed increased hydrophobicity after crosslinking. Overall, bio-oxidation for 4 h, followed by 24 h of UV crosslinking, produced films with enhanced mechanical strength, thermal stability, and resistance to solvation, confirming their suitability for aqueous applications.