Autor: Manoel M. C. Meira

Compósitos poliméricos são promissores materiais para substituição de plásticos sintéticos derivados do petróleo, devido sua baixa toxicidade, renovabilidade e alta biodegradabilidade. Para tornar os materiais baseados em biopolímeros comparáveis ou superiores aos polímeros convencionais, uma alternativa vem sendo a adição de elementos de reforço (partículas, nanopartículas ou fibras e nanofibrilas) às matrizes biopoliméricas. A incorporação de nanomateriais pode conferir novas funcionalidades como melhoria de propriedades mecânicas, condutividade elétrica, barreira à radiação UV e efeitos antimicrobianos. Contudo, a dispersão de nanomateriais e microplásticos no meio ambiente tem levantado preocupações quanto aos seus impactos negativos sobre a saúde humana, animal e ambiental. O meu projeto de doutorado tem como principal objetivo estudar a biodegradação de nanocompósitos de pectina (Pec) incorporados com óxido de grafeno (GO), nanopartículas de cobre (CuNP) e híbrido GO-CuNP quando expostos a larvas do inseto Tenebrio molitor (Coleoptera) associado com seus efeitos ecotoxicológicos neste organismo modelo. Na Figura 1, estão ilustradas as etapas previstas para execução do trabalho.

Figura 1. Fluxograma das atividades do projeto.

Até o momento (05/2025) as etapas de “Caracterização da colônia de T. molitor” e “Otimização da produção de filmes de pectina” estão em execução. O estudo teve início no primeiro semestre de 2025, e utilizará instalações do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), uma Organização Social supervisionada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI). O laboratório em questão não utiliza o organismo T. molitor em seus testes, portanto, para a instalação de uma nova colônia foi necessário padronizar fatores como temperatura, umidade relativa e substrato de alimentação para se obter o ciclo de vida padronizado e bem caracterizado necessário para os testes.

Para tanto, um grupo aleatório de 209 larvas vem sendo monitorado desde o dia 14/03/2025. As massas das larvas foram aferidas tendo como resultado a sua divisão em seis grupos (0-5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-30, 30-40 mg). A distribuição das massas das larvas foi ilustrado na Figura 2. As larvas são pesadas duas vezes e o teste segue em andamento, com larvas 15-20 mg iniciando os processos de pupa. Os dados foram tratados no Posit Cloud.

Figura 2. Histograma das massas das larvas pesadas para acompanhamento.

A temperatura e umidade da sala onde os insetos estão também vêm sendo monitoradas durante o teste através de um termohigrômetro. Os dados preliminares de monitoramento estão disponíveis no GitHub. Nas figuras 3 e 4 estão ilustradas as condições de temperatura e umidade durante o período observado.

Figura 3. Condições de temperatura (ºC) da sala de cultivo que abriga a colônia de T. molitor.

Figura 4. Umidade relativa da sala de cultivo (%) da colônia de T. molitor ao longo do tempo.

Considerando que a faixa ideal de temperatura para criação do T. molitor é entre 26 e 32ºC, a temperatura média da sala tem se mantido variando entre 27,5 ± 0,7 ºC e 30,84 ± 1.1 ºC. Entretanto há uma diferença estatística significativa (p < 0.05) entre as temperaturas máxima e mínima. Além disso, a umidade relativa varia em média entre 39,7 ± 4,4% e 80,4 ± 4,2%, também havendo diferença significativa (p < 0.05) entre os valores. Esses resultados indicam a necessidade de adaptações na sala de cultivo para que a temperatura e umidade se mantenham constantes.

Já para a etapa de otimização da produção dos filmes (tratados no Google Colab), como refinamento do processo, um estudo dos fatores secundários será realizado. Para tal, optou-se por um planejamento fatorial com 3 níveis de pH (3, 4 e 5), 3 tipos de mistura (magnética, ultrassom e vortex) e 3 tempos de repouso antes da etapa de secagem (0, 30 e 60 minutos), contabilizando 27 combinações. Os testes serão aleatorizados para evitar vieses.

Tabela 1. Planejamento experimental do estudo de fatores secundários.

A partir da quantidade de sólidos totais comumente apresentada na bibliografia, optou-se por testar os nanofillers GO, CuNP e GO-CuNP nas concentrações 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0 e 5,0% da massa de pectina a 2% (m/m). Além disso, como plastificante, o efeito da adição do glicerol a 20% (m/m) também será avaliado. Nesse sentido, o planejamento fatorial completo foi selecionado como planejamento adequado, devido à possibilidade de ampla exploração do espaço experimental, além de ser adequada para triagem e comparação inicial. Considerando 3 tipos de nanofillers, 6 concentrações e 2 níveis de concentração de plastificante, obtém-se 3 x 6 x 2 = 36 combinações (tabela disponível no Google Colab). Como variável resposta, os filmes serão particionados em diferentes seções e analisados por espectroscopia UV-Vis a fim de verificar a homogeneidade dos filmes. Os materiais baseados em grafeno possuem a tendência de se aglomerarem em diferentes contextos, sendo um desafio para sua aplicação. Assim, os filmes mais homogêneos serão selecionados para os ensaios mecânicos.

Figura 4. Planejamento experimental para otimização da produção dos filmes nanocompósitos. Cada ponto no gráfico representa dois filmes na mesma condição de nanofillers, porém um com ausência e outro com adição de glicerol.