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Tipo: Tese
Título: Termodinâmica da biofuncionalização de nanotubos de carbono de paredes múltiplas com nisina visando nanocompósitos ativos
Título(s) alternativo(s): Thermodynamics of multi-walled carbon nanotubes biofunctionalization with nisin for active nanocomposites
Autor(es): Almeida, Germanna Wilk Reis de
Primeiro Orientador: Soares, Nilda de Fatima Ferreira
Primeiro coorientador: Silva, Luis Henrique Mendes da
Segundo coorientador: Furtado, Clascídia Aparecida
Primeiro avaliador: Sousa, Rita de Cássia Superbi de
Segundo avaliador: Melo, Nathalia Ramos de
Abstract: A dispersão estável e/ou a aplicação dos nanotubos de carbono em estruturas ordenadas ou tecnologicamente aplicáveis é sempre um grande desafio em todas as áreas. A funcionalização com moléculas biológicas é uma alternativa para aumentar a solubilidade dos CNTs (carbon nanotubes) e pode favorecer o desenvolvimento de nanocompósitos e novos nanomateriais bioativos. Neste trabalho, MWCNTs (multi-walled carbon nanotubes) foram funcionalizados por meio da adsorção de nisina, um peptídeo antimicrobiano de natureza catiônica e anfifílica, para posterior aplicação no desenvolvimento de nanocompósitos ativos. O pH, a concentração e o tipo de peptídeo foram determinantes na obtenção de dispersões estáveis dos nanotubos, sendo os melhores resultados alcançados em pH 2. Medidas de potencial zeta confirmaram a estabilização eletrostática e obtenção de dispersões estáveis em pH 2 (ξ ≈ 45,0 mV) e em pH 3 (ξ ≈ 30,0 mV). As isotermas de adsorção seguiram o modelo de Langmuir, sugerindo uma adsorção em monocamada, apresentando uma elevada inclinação no primeiro intervalo de concentrações, o que reflete a forte interação dos peptídeos com a superfície dos nanotubos. Os MWCNTs exibiram uma maior capacidade de adsorção para a variante Z da nisina (≈ 250 mg·g-1, em pH 2) do que para a nisina A (≈ 180 mg·g-1, em pH 2). Mas o aumento do pH provocou um aumento na quantidade máxima de nisina adsorvida ( ), e em pH 5, ambas apresentaram valores de muito próximos (288,96 mg·g-1 e 305,94 mg·g-1 para as nisinas A e Z, respectivamente). A análise termodinâmica do processo de adsorção demonstrou que o ∆Ga das nisinas A e Z em MWCNTs foram negativos em todas as condições estudadas, indicando que o processo de adsorção foi espontâneo. Os valores negativos de ∆ demonstraram um processo exotérmico, sendo entalpicamente favorecido para todos os estados termodinâmicos avaliados. Por outro lado, o processo de adsorção é entropicamente desfavorecido (os valores de ∆ foram negativos), possivelmente pela diminuição da entropia configuracional da solução devido à adsorção da nisina. Todos as variáveis termodinâmicas foram influenciados pelo pH da solução, indicando a importância das interações eletrostáticas no processo de adsorção. De uma forma geral, a distribuição da nisina entre a solução e a superfície do MWCNT não depende somente das interações que a nisina faz com o adsorvente, mas também das interações que ela faz com o solvente no bulk e das interações existentes entre as próprias moléculas de nisina no bulk e na superfície do MWCNT. Ao alterar o pH do meio, essas interações são alteradas, afetando o processo de adsorção da nisina. O fato de a nisina estar adsorvida na superfície dos nanotubos não prejudicou a sua propriedade antimicrobiana, e os MWCNTs funcionalizados apresentaram significativa atividade antibacteriana contra o micro-organismo indicador Lactococcus lactis pelo teste de halo (2,02 ± 0,04 cm e 2,11 ± 0,09 cm de inibição para MWCNT-nisA e MWCNT-nisZ, respectivamente) e no ensaio em solução (redução > 8,0 log para ambas as nisinas). Os MWCNTs não funcionalizados não apresentaram atividade antimicrobiana. Os bionanocomplexos MWCNT-nisina apresentam potencial aplicação para o desenvolvimento de nanocompósitos ativos, podendo ser efetivamente dispersos na matriz polimérica para melhorar suas propriedades mecânicas, exibindo também propriedades antimicrobianas.
Stable dispersion and application of carbon nanotubes into ordered or technologically applicable structures is always a challenge in all areas. Bio- molecule functionalization is one option to enhance CNTs (carbon nanotubes) solubility and can improve nanocomposites and new bioactive nanomaterials development. In this work, MWCNTs (multi-walled carbon nanotubes) were functionalized by nisin adsorption, an amphiphilic cationic antimicrobial peptide, for posterior applications in active nanocomposites development. The pH, concentration and peptide type were determinants in obtaining nanotubes stable dispersions, with the bests results being achieved with pH 2 solutions. Zeta potential measurements confirmed an electrostatic stabilization and the attainment of stable dispersions in pH2 (&#958; &#8776; 45,0 mV) and pH 3 (&#958; &#8776; 30,0 mV). Adsorption isotherms followed Langmuir model, suggesting a monolayer adsorption, with a steep initial slope in the lower nisin concentration range, which reflects the strong interaction between peptides and nanotubes surface. MWCNTs exhibited a bigger adsorption capacity for nisin Z variant (&#8776; 250 mg·g-1, in pH 2) than for nisin A (&#8776; 180 mg·g-1, in pH 2). But, increasing the solution pH led to an increase in nisin maximum adsorption ( values (288,96 mg·g -1 ), and in pH 5, both variants showed similar and 305,94 mg·g-1 for nisins A and Z, respectively). Thermodynamics analysis of the adsorption process showed that &#8710; of both nisin A and Z on WCNTs was negative in all conditions evaluated, indicating that the adsorption process was spontaneous. The negative values of &#8710; revealed that the process is exothermic and enthalpy driven, for all thermodynamic states evaluated. On the other hand, the adsorption process is entropy unfavorable (&#8710; < 0), possibly because of the solution configurational entropy reduction due to nisin adsorption. All thermodynamic variables were solution pH dependent, indicating that the electrostatic interactions play an important role on the adsorption process. In general, nisin distribution between solution and MWCNT surface do not depends only on nisin-adsorbent interactions, but also on nisin-bulk solution interactions, and nisin-nisin in the solution bulk and in the MWCNT surface interactions. By altering the solution pH, these interactions changed, affecting the nisin adsorption process. The fact that nisin is adsorbed on carbon nanotubes surface did not damage its antimicrobial property, and the functionalized MWCNTs showed significant antibacterial activity against the indicator micro- organism Lactococcus lactis in the agar diffusion assay (2,02 ± 0,04 cm and 2,11 ± 0,09 cm of inhibition for MWCNT-nisA and MWCNT-nisZ, respectively) and in solution assay (> 8,0 log reduction for both nisins). Pristine MWCNTs did not show antimicrobial activity. The bio-nanocomplexes MWCNT-nisin has potential application for developing active nanocomposites, as it can be effectively dispersed in the polymer matrix for enhancing the mechanical properties, while still exhibit antimicrobial properties.
Palavras-chave: Termodinâmica de adsorção
Nanotubos de Carbono
Materiais nanoestruturasdo
Peptídeos
Nanotecnologia
Thermodynamics of adsorption
Carbon nanotubes
Nanoestruturasdo materials
Peptides
Nanotechnology
CNPq: CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::CIENCIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS::TECNOLOGIA DE ALIMENTOS
Idioma: por
País: BR
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Sigla da Instituição: UFV
Departamento: Ciência de Alimentos; Tecnologia de Alimentos; Engenharia de Alimentos
Programa: Doutorado em Ciência e Tecnologia de Alimentos
Citação: ALMEIDA, Germanna Wilk Reis de. Thermodynamics of multi-walled carbon nanotubes biofunctionalization with nisin for active nanocomposites. 2014. 93 f. Tese (Doutorado em Ciência de Alimentos; Tecnologia de Alimentos; Engenharia de Alimentos) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2014.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://locus.ufv.br/handle/123456789/497
Data do documento: 4-Out-2014
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