Membranas eletrofiadas de poli(ácido láctico) com nanopartículas de óxido de zinco dispersas com líquido iônico para potencial aplicação em máscaras faciais multifuncionais

Abstract

Durante a pandemia de COVID-19, a demanda por máscaras faciais descartáveis aumentou exponencialmente, evidenciando a necessidade de desenvolver alternativas de filtragem mais sustentáveis e eficazes. Este estudo de mestrado concentra-se no desenvolvimento e caracterização de membranas eletrofiadas de poli(ácido láctico) (PLA), incorporando nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) e líquido iônico choline bitartrate (LI), como agente compatibilizante para potencial aplicação em máscaras faciais com propriedades antimicrobianas e caraterística de ser biodegradáveis. A metodologia implementada envolveu a formulação de soluções poliméricas de PLA, com ZnO adicionado em diferentes concentrações (0,25%, 1% e 2% m/m), e o líquido iônico incorporado para promover uma dispersão eficiente das nanopartículas, facilitando a produção de nanofibras por eletrofiação. Uma ampla gama de análises foi conduzida, incluindo análises das partículas, MEV, TEM, DLS e DRX e análises das membranas sob MEV, TEM, FTIR, TGA e DSC, juntamente com análises das propriedades e aplicações em filtros, ângulo de contato, atividade antimicrobiana, permeabilidade ao vapor de água, resistência mecânica à tração e a biodegradabilidade em solo simulado. Os resultados demonstraram que a adição conjunta de ZnO e líquido iônico ao PLA não apenas distribuiu de forma mais uniforme as partículas no interior das fibras, mas também potencializou a atividade bactericida das membranas. Houve uma redução bacteriana superior a 99,98% para amostras contendo 1% e 2% de ZnO na presença de LI. Além disso, o LI teve um impacto positivo sobre as propriedades físicas e químicas das membranas, mantendo a degradação do material e preservando seu caráter hidrofóbico, análises de contato dinâmico com gotas de água, foi observado que o caráter hidrofóbico mantido por até 180 minutos. A resistência mecânica à tração das amostras de 2% de ZnO na presença de LI foi superior à dos filtros comerciais, assim como a permeabilidade ao vapor de água para amostras com LI equivalente aos filtros de máscaras faciais comerciais. Destaca-se que as amostras de com 2% de ZnO com LI apresentaram um equilíbrio ótimo entre propriedades e atividade antibacteriana, comparáveis ou até superiores aos filtros de máscaras faciais comerciais, constituindo uma solução promissora para a criação de meios filtrantes mais sustentáveis e eficientes.

Abstract: During the COVID-19 pandemic, the demand for disposable face masks has increased exponentially, underscoring the need to develop more sustainable and effective filtration alternatives. This master's study focuses on the development and characterization of electrospun membranes of poly(lactic acid) (PLA), incorporating zinc oxide (ZnO) nanoparticles and choline bitartrate ionic liquid (LI) as a compatibilizing agent for potential application in antimicrobial and biodegradable facial masks. The implemented methodology involved formulating PLA polymer solutions with ZnO added at different concentrations (0.25%, 1%, and 2% w/w), and incorporating the ionic liquid to promote efficient dispersion of nanoparticles, facilitating nanofiber production by electrospinning. A comprehensive range of analyses was conducted, including particle analysis, SEM, TEM, DLS, and XRD, as well as membrane analyses under SEM, TEM, FTIR, TGA, and DSC, along with property and application analyses in filters, contact angle, antimicrobial activity, water vapor permeability, tensile mechanical strength, and biodegradability in simulated soil. The results demonstrated that the combined addition of ZnO and ionic liquid to PLA not only distributed particles more uniformly within the fibers but also enhanced the bactericidal activity of the membranes. There was a superior bacterial reduction of over 99.98% for samples containing 1% and 2% ZnO in the presence of LI. Additionally, LI positively impacted the physical and chemical properties of the membranes, maintaining material degradation and preserving its hydrophobic character. Dynamic water droplet contact analyses revealed that the hydrophobic character was sustained for up to 180 minutes. The tensile mechanical strength of samples with 2% ZnO in the presence of LI surpassed that of commercial filters, as did the water vapor permeability for samples with LI equivalent to commercial facial mask filters. It is noteworthy that samples with 2% ZnO with LI exhibited an optimal balance between properties and antibacterial activity, comparable to or even surpassing commercial facial mask filters, offering a promising solution for the development of more sustainable and efficient filtration media.