Badanie oddziaływań cząstek z powierzchnią celulozy

Kierownik: dr hab. Monika Szymańska-Chargot, prof. IA PAN

Zespół: prof. dr hab. Artur Zdunek; dr hab. inż. Justyna Cybulska, prof. IA PAN; dr hab. Jolanta Cieśla; dr inż. Piotr Pieczywek; dr Monika Chylińska; dr Anna Siemińska-Kuczer; mgr Patrycja Pękala; mgr Martyna Krysa

Współpraca: dr Marta Oleszek

Celem realizacji zadania jest opracowanie modeli adsorpcji, a także określenie charakteru oddziaływań w układach celuloza – wybrane cząstki. Celuloza, jako jeden z najbardziej rozpowszechnionych biopolimerów na kuli ziemskiej, a także materiał biokompatybilny i biodegradowalny jest stosowany w różnych gałęziach przemysłu. Dodatkowo obszar zastosowań celulozy jest ciągle poszerzany poprzez modyfikacje jej powierzchni. Biorąc pod uwagę aktualne trendy w badaniach polisacharydów na świecie [1, 2] oraz własne, udokumentowane doświadczenia [3, 4], jako temat badań w najbliższych latach proponujemy poznanie oddziaływań oraz badania fizyko-chemiczne adsorpcji, gdzie, jako adsorbent będzie użyta celuloza, a jako adsorbaty zarówno związki organiczne (takie jak polisacharydy roślinnej ściany komórkowej, czy flawonoidy), jak i nieorganiczne (np. nanocząstki metaliczne).

Celuloza jest najbardziej rozpowszechnionym, występującym naturalnie polimerem na Ziemi.  Jest głównym składnikiem budulcowym ścian komórkowych roślin. Każda molekuła celulozy jest liniowym polimerem składającym się od tysiąca do miliona jednostek cukru, D-glukozy, połączonych ze sobą wiązaniem β-1,4-glikozydowym. Z punktu widzenia składu chemicznego celuloza pochodząca z różnych źródeł składa się z tych samych pierwiastków, jednakże biorąc pod uwagę jej budowę w skali mikro może ona przejawiać różną strukturę krystaliczną. W ostatnich latach popularnym trendem jest modyfikacja powierzchni celulozy w celu uzyskania materiału o nowych właściwościach i zastosowaniach. W związku z tym proponuje się użycie celulozy, jako adsorbentu, natomiast, jako adsorbatów:

• polisacharydów ściany komórkowej roślin (badania modelowe symulujące oddziaływania zachodzące w roślinnej ścianie komórkowej);
• flawonoidów oraz innych substancji bioaktywnych (celuloza jako nośnik substancji czynnych);
• nanocząstek nieorganicznych (celuloza jako element biosensorów).

Polisacharydy roślinne pełnią wiele funkcji biologicznych, mogą też być wykorzystywane, jako materiały funkcjonalne w inżynierii żywności, farmacji, medycynie, jako składniki materiałów opakowaniowych i konstrukcyjnych. Aby poznać rzeczywisty wpływ pektyn i hemicelulozy na strukturę mikrofibryli celulozowych, bądź określić oddziaływania zachodzące pomiędzy poszczególnymi substratami tworzącymi ścianę komórkową, konieczne są badania in vitro tzn.: badania fizykochemiczne celulozy, jako adsorbentu oraz pektyn i hemiceluloz, jako adsorbatów. Dotychczas przeprowadzono badania adsorpcji przy użyciu komercyjnie dostępnych pektyn oraz ksyloglukanu [4]. Następnie planuje się rozszerzyć badania na inne rodzaje hemiceluloz (ksylan, arabinan, glukomanan, arabinoksylan) oraz pektyn (o różnym stopniu estryfikacji).  Natomiast w dalszych planach jest użycie polisacharydów wyizolowanych z roślin, a następnie ich scharakteryzowanie i wykorzystanie do badań adsorpcji w układach celuloza-pektyny lub celuloza-hemicelulozy.

Natomiast flawonoidy to substancje pochodzenia roślinnego pełniące funkcje barwników, przeciwutleniaczy, czy naturalnych fungicydów i insektycydów. Ich działanie przeciwutleniające, uwarunkowane zdolnością hamowania aktywności lipooksygenaz i cyklooksygenaz oraz zdolnością chelatowania jonów metali przejściowych (np. żelaza), które uczestniczą w reakcjach prowadzących do wytwarzania reaktywnych form tlenu.

Z drugiej strony celuloza sfunkcjonalizowana nanocząstkami nieorganicznymi jest wykorzystywana, jako element biosensorów, materiał używany w katalizie, materiał przewodzący oraz w przemyśle papierniczym, a także, jako tkaniny o właściwościach antybakteryjnych lub w aktywnych i inteligentnych opakowaniach spożywczych. Stąd celem jest badanie natury oddziaływań pomiędzy celulozą (mikrofibrylarną, nanofibrylarną lub w formie nanokryształów) a nanocząstkami metalicznymi, a także badanie właściwości nowo otrzymanych struktur. Jednym ze sposobów biofunkcjonalizacji nanostruktur celulozy jest wprowadzenie na powierzchnię nanocząstek metali (Ag, Au, Pt, Cu, Pd, Co) lub tlenków metalu (ZnO, CuO) oraz nanostruktur węglowych (nanorurki węglowe, grafen). Koloidalne nanocząstki metali są ciekawe ze względu na ich wyjątkowe właściwości optyczne, elektroniczne, magnetyczne i antybakteryjne. Ze względu na ich niewielkie rozmiary, dużą powierzchnię właściwą i przestrajalne właściwości fizykochemiczne, które znacznie różnią się od ich odpowiedników w formie makroskopowej znajdują one zastosowanie w materiałach nanokompozytowych.

Otrzymane układy będą badane pod kątem ich właściwości fizyko-chemicznych następującymi metodami:

• mikroskop sił atomowych (AFM) – obrazowanie powierzchni oraz właściwości mechaniczne w skali nano
• spektroskopia FT IR oraz FT Ramana, mikrospektroskopia Ramana – badania struktury i oddziaływań w wybranych układach
• analiza termiczna (DSC)
• analizy chemiczne
• badania potencjału Zeta, wielkości cząstek.

Referencje:

1. C. Zhu, I. Dobryden, J. Rydén, S. Öberg, A. Holmgren, A. P. Mathew, Adsorption Behavior of Cellulose and Its Derivatives toward Ag(I) in Aqueous Medium: An AFM, Spectroscopic, and DFT Study. Langmuir, 2015, 31 (45), pp 12390–12400
2. H. Tian, J. He Cellulose as a Scaffold for Self-Assembly: From Basic Research to Real Applications. Langmuir, 2016, 32 (47), pp 12269–12282
3. J. Cybulska, A. Brzyska, A. Zdunek, K. Woliński, AFM study on pectin structure form carrot and simulation of force spectroscopy of galacturonic acid molecules. PLOS One, 2014, 9(9):e107896.
4. D. Myśliwiec, M. Chylińska, M. Szymańska-Chargot, S. Chibowski, A. Zdunek, Revision of adsorption models of xyloglucan on microcrystalline cellulose. Cellulose, 2016, 23 (5), pp. 2819-2829