Filmes automontados baseados nos biopolímeros quitosana e colágeno com Carbon Quantum Dots com potenciais aplicações tecnológicas

Abstract

Neste trabalho, Carbon Dots (CDs) obtidos a partir de celulose de algodão e contendo 4,5 mmol.g-1 de grupos funcionais ácidos, dos quais 63 % exibiam pKas típicos de ácidos carboxílicos foram usados na preparação de filmes automontados com os biopolímeros quitosana (QT) e colágeno (CL) a fim de verificar a morfologia, espessura e interações moleculares entre os componentes. A quitosana usada apresentou um total de 4,2 mmolg-1 de grupos funcionais -NH2, correspondente a um grau de desacetilação de ~70 %. Por outro lado, o colágeno hidrolisado apresentou diferentes grupos funcionais com acidez de Brønsted, típicos da presença de diferentes aminoácidos na estrutura. Todos os filmes finos foram preparados com a técnica de deposição camada por camada (do inglês: Layer-by-layer (LbL)) por meio de imersão do substrato nas diferentes soluções. Os materiais foram caracterizados por diferentes técnicas, incluindo Microscopia de Força Atômica, Espectroscopia na região do UV-Vis, Espectroscopia de Ressonância de Plasma de Superfície e Titulação Calorimétrica. Em todas as condições experimentais utilizadas para o crescimento dos filmes, observou-se um crescimento linear da quantidade de material depositado com o número de imersões realizadas. No entanto, diferentes condições das soluções dos biopolímeros e da suspensão de Carbon Dots produziram filmes com espessura e morfologia diferentes. Nos filmes de QT/CDs a quantidade de nanopartículas depositadas por bicamada, com solução de quitosana em pH = 3,5, pH = 5 e pH = 3,5 na presença de 0,1 mol/L de NaCl, foram, respectivamente, 11 mg.m-2, 16 mg.m-2 e 24 mg.m-2 sendo as espessuras dos filmes, com 20 bicamadas, correspondentes a estas quantidades foram de 60, 150 e 200 nm. Este resultado é atribuído ao aumento da flexibilidade das cadeias poliméricas dos biopolímeros, as quais estão menos carregadas. Dessa forma, as cadeias podem apresentar conformações mais adequadas para recobrir eficientemente a estrutura das nanopartículas quase esféricas. Além disso, o aumento da força iônica da solução de Carbon Dots também contribui para o aumento de material depositado devido à formação de aglomerados sob estas condições. Nos filmes de CL/CDs, a quantidade de nanopartículas depositadas, com solução de colágeno em pH = 3,16, pH = 5 e pH = 3,16 na presença de 0,1 mol/L de NaCl, foram 2,3 mg.m-2, 6,46 mg.m-2 e 6,41 mg.m-2, respectivamente. No entanto, a energia de interação, obtida por calorimetria isotérmica, é maior em pH baixo. Em geral, a quantidade de material depositado nos filmes de colágeno é bem inferior às observadas para os filmes de QT/CDs e, consequentemente, filmes com espessuras entre 40 e 50 nm. Além disso, não foi observada variação significativa entre as massas depositadas nestes filmes com o aumento do pH e força iônica. Estes resultados podem estar relacionados à menor “carga parcial positiva” sobre as cadeias da proteína em relação a quitosana, observada pelos potenciais zeta nestas condições. Por fim, os resultados aqui apresentados sugerem que as estruturas dos filmes, isto é, morfologia e espessura, podem ser facilmente controladas e reproduzidas manipulando-se as condições das soluções dos biopolímeros, além do tradicional número de imersões. Em adição, o estudo pode contribuir para o desenvolvimento de uma nova classe de dispositivos de alto desempenho, como sensores e superfícies fotoativas.