Crosslinking strategies to improve properties of protein-based nanofibrous membranes

Abstract

O objetivo deste estudo foi desenvolver uma matriz nanofibrosa e ecológica de gliadina de trigo para ser submetida e testada a agentes de reticulação alternativos, calor, genipina, ácido cítrico e o convencional e tóxico glutaraldeído, de modo a que as conhecidas limitações estruturais e de resistência mecânica de fibras proteicas pudessem ser ultrapassadas, nomeadamente quando utilizadas em ambiente aquoso. Nanofibras lisas, bem definidas e sem grânulos de gliadina, com um diâmetro médio de 665 nm, foram produzidas por eletrofiação a uma concentração otimizada de 30% de gliadina (m/v), utilizando como solvente uma mistura de ácido acético/etanol. A maioria dos métodos de reticulação testados não conduziu a resultados satisfatórios, no que respeita à obtenção de membranas nanofibrosas de gliadina que preservassem a sua integridade estrutural e porosidade quando em contacto com a água. O procedimento de reticulação por calor não teve um impacto significativo nas propriedades das fibras, as quais continuaram solúveis em água. Em contraste, a capacidade resistência à água das membranas foi aumentada através de genipina, glutaraldeído e ácido cítrico, mas apenas a combinação de genipina e calor, a 120ºC, foi capaz de manter ligeiramente a estrutura porosa e fibrosa da matriz proteica. O tratamento com genipina a uma concentração de 5% (m/m) permitiu obter membranas com propriedades mecânicas melhoradas. O tempo de reação entre genipina e a proteína, assim como o tempo de maturação após eletrofiação, revelaram-se parâmetros importantes para o aumento da tolerância à água e melhoria das propriedades mecânicas. O tratamento a 120ºC tornou as fibras mecanicamente melhores, destacando-se aquelas tratadas com uma concentração de genipina de 5% após um tempo de armazenamento de um mês e aquelas tratadas com uma concentração de genipina de 10%. O tratamento tradicional com vapor de glutaraldeído resultou em fibras com uma capacidade de alongamento significativamente maior e com um aumento de força à rutura, embora o aumento do tempo de reação leve também a um significativo encolhimento da membrana e aumento da sua rigidez

The aim of this study was to develop an eco-friendly gliadin electrospun nanofibrous matrix and its appropriate crosslinking to improve mechanical properties and water resistance. Smooth, well-defined and beadless gliadin nanofibers, with an average diameter of 665 nm, were produced by electrospinning at an optimized concentration of 30% gliadin (w/v), using a mixture of acetic acid/ethanol as the solvent. Different crosslinking methods have been tested, such as heat, genipin, citric acid, and the conventional and toxic glutaraldehyde. Most of the crosslinking methods tested did not lead to satisfactory results in obtaining gliadin nanofibrous membranes that preserved their structural integrity and porosity when in contact with water. The heat-crosslinking procedure did not have a significant impact on the properties of the fibers, which remained soluble in water. In contrast, the water-resistance ability of the membranes was increased through the treatments with genipin, glutaraldehyde and citric acid, but only the combination of genipin and heat treatment at 120 °C was able to slightly maintain the porous and fibrous structure of the protein matrix. Treatment with genipin at a concentration of 5% (w/w) allowed obtaining membranes with improved mechanical properties. The reaction time between genipin and the protein, as well as the time of maturation after electrospinning, were important parameters for water tolerance increase and improvement of the mechanical properties. The treatment at 120 °C increased the fibers mechanical resistance, especially those treated with a concentration of 5% genipin after a storage time of one month and those treated with 10% genipin. The traditional treatment with glutaraldehyde vapor resulted in fibers having significantly greater elongation and increased strength at break, although the increase in reaction time also lead to significant membrane shrinkage and increased stiffness.