Multi-caracterização de alginato de sódio ozonizado extraído de algas pardas para utilização na impressão 3D

Abstract

O alginato de sódio (AS), notável por suas propriedades biocompatíveis e sustentáveis, destaca-se como um material versátil já empregado em diversas indústrias. Sua modificação estrutural pode aprimorar suas propriedades físicas e químicas. Assim, este estudo concentra-se na modificação desse polissacarídeo por meio da ozonização, técnica promissora e de baixo impacto ambiental, visando posterior utilização na encapsulação de biocompostos e na formulação de hidrogéis destinados à impressão 3D. Os resultados do capítulo 1 demonstraram que o processo de ozonização na solução de SA durante 10 min acarretou na redução de aproximadamente um terço do valor inicial de 102.30 ± 0.49 kDa do peso molecular viscosimétrico, despolimerizando eficientemente a cadeia polissacarídica, além de manter sua integridade estrutural, pureza e estabilidade térmica. Análises de cor indicaram índices semelhantes ao alginato comercial, sugerindo efeitos de branqueamento da ozonização. A solução ozonizada mostrou estabilidade mediante variação de pH, não apresentando variação significativa em relação ao potencial zeta (ZP), índice de polidispersividade e condutividade elétrica. Comparado ao alginato nativo, o ZP do polissacarídeo ozonizado apresentou-se mais carregado negativamente deslocando-se para valores que evitam aglomeração de partículas. A interação da solução de AS ozonizado com o extrato rico em antocianinas também foi objeto de investigação. Antocianinas, flavonoides presentes em frutas e vegetais, são pigmentos naturais com capacidade antioxidante e benefícios à saúde, apesar de serem suscetíveis à degradação. Assim, uma alternativa para aumentar sua estabilidade é a encapsulação em soluções poliméricas. Nesse contexto, no capítulo 2, antocianinas foram extraídas de amoras, e, por análise cromatográfica, destacou-se a presença proeminente de procianidina B2 e cianidina-3-O-glucosídeo. As características de cor das soluções compostas de AS e extrato rico em antocianinas apresentaram uma coordenada a* positiva dominante, indicando uma tonalidade avermelhada. Análises reológicas revelaram um comportamento não-newtoniano na presença do extrato rico em antocianinas, indicando um aumento na viscosidade aparente em comparação com as soluções de SA isoladas. Os espectros de ATR-MIR e 1H-RMN sugeriram interações intramoleculares e a incorporação do extrato rico em antocianinas nas soluções de AS, corroborando os resultados reológicos. As soluções com AS ozonizado e extrato de antocianinas mostraram potencial na preservação e entrega eficaz desse composto bioativo. O emprego do AS ozonizado na impressão 3D demanda sua combinação com outros polímeros, visando alcançar as propriedades reológicas e mecânicas necessárias para essa tecnologia, resultando na formação de hidrogéis híbridos. Assim, no capítulo 3, a formulação de um hidrogel com ágar, outro polissacarídeo proveniente de algas, e o extrato rico em antocianinas, juntamente com o alginato de sódio pré-reticulado foi caracterizada e empregada como tinta na tecnologia de impressão 3D. Inicialmente, essa formulação foi caracterizada reologicamente, indicando propriedades adequadas para impressão 3D, além de caracterizações físicas e de estrutura (ATR-MIR e MEV), que demonstraram interações entre os componentes da tinta de hidrogel. As condições de impressão (diâmetro da agulha, velocidade de impressão, largura e altura do filamento) foram otimizadas por meio de testes de printabilidade. Com os parâmetros otimizados (agulha de 21G, velocidade de impressão 5 mm/s e medidas do filamento de 1 mm), houve a impressão 3D de estruturas cubóides. Os testes de desvio de impressão demonstraram bons resultados para a formulação com o SA ozonizado, mantendo a estrutura estável por 24h. Além disso, os testes mecânicos revelaram um perfil de textura semelhante à formulação com AS comercial. A utilização do AS extraído de algas pardas ozonizado mostrou-se promissora para diferentes tipos de aplicação, com a maioria dos resultados comparáveis aos formulados com AS comercial. Em conclusão, os resultados encontrados para o AS ozonizado e suas possíveis aplicações são muito satisfatórios quando comparados com o AS comercial. Ele demonstrou ser versátil para encapsulação de componentes bioativos, além de sua exploração na tecnologia de impressão 3D, podendo ser utilizado em bioengenharia, farmacêuticos, nutracêuticos e na indústria alimentícia.

Sodium alginate (SA), notable for its biocompatible and sustainable properties, stands out as a versatile material widely employed in various industries. Structural modification through ozone treatment is explored to enhance its physical and chemical properties. This study focuses on ozonizing the polysaccharide, a promising and environmentally friendly technique, with the aim of subsequent utilization in the encapsulation of bioactive compounds and the formulation of hydrogels for 3D printing. The findings of chapter 1 showed that 10-minute ozone treatment of SA solution resulted in approximately one-third reduction of the initial viscosity-average molecular weight of 102.30 ± 0.49 kDa, efficiently depolymerizing the polysaccharide chain while maintaining its structural integrity, purity, and thermal stability. Color analysis indicated similar indices to commercial alginate, suggesting ozone-induced bleaching effects. The ozonized solution exhibited stability across pH variations, with no significant changes in zeta potential (ZP), polydispersity index, or electrical conductivity. Compared to native alginate, the ZP of ozonized polysaccharide showed a more negatively charged profile, avoiding particle agglomeration. The interaction of ozonized SA solution with anthocyanin-rich extract was also investigated. Anthocyanins, flavonoids present in fruits and vegetables, are natural pigments with antioxidant capacity and health benefits, albeit susceptible to degradation. Encapsulation in polymeric solutions emerges as an alternative to enhance stability. In this context, in chapter 2, anthocyanins were extracted from blackberries, and chromatographic analysis highlighted the prominent presence of procyanidin B2 and cyanidin-3-O-glucoside. The color characteristics of solutions composed of ozonized SA and anthocyanin extract displayed a dominant positive a* coordinate, indicating a reddish hue. Rheological analyses revealed non-Newtonian behavior in the presence of anthocyanin-rich extract, indicating increased apparent viscosity compared to isolated SA solutions. ATR-MIR and 1H-NMR spectra suggested intramolecular interactions and the incorporation of anthocyanin-rich extract into SA solutions, corroborating rheological results. Ozonized SA and anthocyanin extract solutions showed potential in preserving and effectively delivering this bioactive compound. The use of ozonized SA in 3D printing requires its combination with other polymers to achieve the rheological and mechanical properties necessary for this technology, resulting in the formation of hybrid hydrogels. Thus, in chapter 3, a hydrogel formulation with agar, another polysaccharide from algae, and anthocyanin-rich extract, along with pre-crosslinked sodium alginate, was characterized and employed as ink in 3D printing technology. Initially, this formulation was rheologically characterized, indicating suitable properties for 3D printing, along with physical and structural characterizations (ATR-MIR and SEM), demonstrating interactions between hydrogel ink components. Printability tests were conducted to optimize printing conditions (needle diameter, print speed, filament width, and height). With optimized parameters (21G needle, print speed 5 mm/s, and filament measurements of 1 mm), 3D printing of cuboid structures was achieved. Print deviation tests showed good results for the formulation with ozonized SA, maintaining stable structure for 24 hours. Additionally, mechanical tests revealed a texture profile similar to the formulation with commercial SA. The use of ozone-treated SA extracted from brown algae proved promising for various applications, with most results comparable to formulations with commercial SA. In conclusion, the findings for ozonized SA and its potential applications are highly satisfactory, highlighting its versatility for the encapsulation of bioactive components and exploration in 3D printing technology, applicable in bioengineering, pharmaceuticals, nutraceuticals, and the food industry.