Polymer functional groups have critical impacts upon physical, chemical and mechanical properties, and thus affect the specific applications of the polymer. Functionalization of cellulose esters and ethers has been under extensive investigation for applications including drug delivery, cosmetics, food ingredients, and automobile coating. In oral delivery of poorly water-soluble drugs, amorphous solid dispersion (ASD) formulations have been used, prepared by forming miscible blends of polymers and drugs to inhibit crystallization and enhance bioavailability of the drug. The Edgar and Taylor groups have revealed that some cellulose omega-carboxyalkanoates were highly effective as ASD polymers, with the pendant carboxylic acid groups providing both specific polymer-drug interactions and pH-triggered release through swelling of the ionized polymer matrix. While a variety of functional groups such as hydroxyl and amide groups are also of interest, cellulose functionalization has relied heavily on classical methods such as esterification and etherification for appending functional groups. These methods, although they have been very useful, are limited in two respects. First, they typically employ harsh reaction conditions. Secondly, each synthetic pathway is only applicable for one or a narrow group of functionalities due to restrictions imposed by the required reaction conditions. To this end, there is a great impetus to identify novel reactions in cellulose modification that are mild, efficient and ideally modular. In the initial effort to design and synthesize cellulose esters for oral drug delivery, we developed several new methods in cellulose functionalization, which can overcome drawbacks of conventional synthetic pathways, provide novel cellulose derivatives that are otherwise inaccessible, and present a platform for structure-property relationship study. Cellulose omega-hydroxyalkanoates were previously difficult to access as the hydroxyl groups, if not protected, react with carboxylic acid/carbonyl during a typical esterification reaction or ring opening of lactones, producing cellulose-g-polyester and homopolyester. We demonstrated the viability of chemoselective olefin hydroboration-oxidation in the synthesis of cellulose omega]-hydroxyesters in the presence of ester groups. Cellulose esters with terminally olefinic side chains were transformed to the target products by two-step, one-pot hydroboration-oxidation reactions, using 9-borabicyclo[3.3.1]nonane (9-BBN) as hydroboration agent, followed by oxidizing the organoborane intermediate to a primary alcohol using mildly alkaline H2O2. The use of 9-BBN as hydroboration agent and sodium acetate as base catalyst in oxidation successfully avoided cleavage of ester linkages by borane reduction and base catalyzed hydrolysis. With the impetus of modular and efficient synthesis, we introduced olefin cross-metathesis (CM) in polysaccharide functionalization. Using Grubbs type catalyst, cellulose esters with terminally olefinic side chains were reacted with various CM partners including acrylic acid, acrylates and acrylamides to afford families of functionalized cellulose esters. Molar excesses of CM partners were used in order to suppress potential crosslinking caused by self-metathesis between terminally olefinic side chains. Amide CM partners can chelate with the ruthenium catalyst and cause low conversions in conventional solvents such as THF. While the inherent reactivity toward CM and tendency of acrylamides to chelate Ru is influenced by the acrylamide N-substituents, employing acetic acid as a solvent significantly improved the conversion of certain acrylamides. We observed that the CM products are prone to crosslinking during storage, and found that the crosslinking is likely caused by free radical abstraction of gamma-hydrogen of the alpha, beta-unsaturation and subsequent recombination. We further demonstrated successful hydrogenation of these alpha, beta-unsaturated acids, esters, and amides, thereby eliminating the potential for radical-induced crosslinking during storage. The alpha, beta-unsaturation on CM products can cause crosslinking due to gamma-H abstraction and recombination if not reduced immediately after reaction. Instead of eliminating the double bond by hydrogenation, we described a method to make use of these reactive conjugated olefins by post-CM thiol-Michael addition. Under amine catalysis, different CM products and thiols were combined and reacted. Using proper thiols and catalyst, complete conversion can be achieved under mild reaction conditions. The combination of the two modular reactions creates versatile access to multi-functionalized cellulose derivatives. Compared with conventional reactions, these reactions enable click or click-like conjugation of functional groups onto cellulose backbone. The modular profile of the reactions enables clean and informative structure-property relationship studies for ASD. These approaches also provide opportunities for the synthesis of chemically and architecturally diverse cellulosic polymers that are otherwise difficult to access, opening doors for many other applications such as antimicrobial, antifouling, in vivo drug delivery, and bioconjugation. We believe that the cellulose functionalization approaches we pioneered can be expanded to the modification of other polysaccharides and polymers, and that these reactions will become useful tools in the toolbox of polymer/polysaccharide chemists. / Ph. D.

In an effort to produce new derivatives of cellulose for drug delivery applications, methods were developed to regioselectively modify C-6 halo cellulose esters to produce cationic derivatives via nucleophilic substitution. Reaction of C-6 substituted bromo and iodo cellulose with trialkylated amines and phosphines produced new cationic ammonium and phosphonium cellulose derivatives which can be explored as delivery agents for nucleic acids, proteins and other anionic drug molecules. It was anticipated that these new derivatives would not only be capable of complexing anionic drug molecules but would have greatly improved aqueous solubility compared to their precursors. The phosphonium derivatives described in this work are an obvious example of such improved solubility properties. Given the importance of cellulose derivatives in making amorphous dispersions with critical drugs, it has also been important to analyze commercially available polymers for the potential impact in oral drug delivery formulations. To do so pairwise blends of cellulosics and synthetic polymers commonly used as excipients were tested for miscibility using techniques such as DSC, mDSC, FTIR and film clarity. Miscible combinations highlight the potential to use combinations of polymers currently available commercially to provide drug delivery solutions for specific drug formulations. The use of melt extrusion in processing some of these drug/polymer dispersions provides a means of highlighting the capability for the use of these cellulosics in melt extruded amorphous dispersions. This solvent free, high pressure method significantly reduces cost and time and can be applied on a large scale. The analysis of long chain cellulose esters and ultimately the novel omega carboxy esters for melt processability significantly impacts the possibilities available for use of those excellent drug delivery agents on a much larger scale. / Ph. D.

No description available.

Amorphous solid dispersion (ASD) is a popular method to increase drug solubility and consequently poor drug bioavailability. Cellulose ω-carboxyesters were designed and synthesized specifically for ASD preparations in Edgar lab that can meet the ASD expectations such as high Tg, recrystallization prevention and pH-triggered release due to the free -COOH groups. Rifampicin (Rif), Ritonavir (Rit), Efavirenz (Efa), Etravirine (Etra) and Quercetin (Que) cellulose ester ASDs were investigated in order to increase drug solubility, prevent release at low pH and controlled release of the drug at small intestine pH that can improve drug bioavailability, decrease needed drug content and medication price to make it affordable in third world countries, and extent pill efficiency period to improve patient quality of life and adherence to the treatment schedule. The studies were compared with cellulose based commercial polymers to prove the impact of the investigation and potential for the application. Furthermore, the in vitro results obtained were further supported by in vivo studies to prove the significant increase in bioavailability and show the extended release. The need of new cellulose derivatives for ASD applications extended the research area, the design and synthesis of a new class of polymers, alkyl cellulose ω-carboxyesters for ASD formulations investigated and the efficiency of the polymers were summarized to show that they have the anticipated properties. The polymers were synthesized by the reaction of commercial cellulose alkyl ethers with benzyl ester protected, monofunctional hydrocarbon chain acid chlorides, followed by removal of protecting group using palladium hydroxide catalyzed hydrogenolysis to form the alkyl cellulose wcarboxyalkanoate. Having been tested for ASD preparation, it was proven that the polymers were efficient in maintaining the drug in amorphous solid state, release the drug at neutral pH and prevent the recrystallization for hours, as predicted. / Ph. D.

Este trabalho está dividido em duas partes: (i) estudo da adsorção da enzima horseradish peroxidase (HRP) sobre substratos planos (lâminas de Si/SiO2, filmes ASP/Si/SiO2, filmes CABads/Si/SiO2, filmes CABspin/Si/SiO2 e filmes CMCABspin/Si/SiO2) seguida de testes da atividade enzimática da HRP imobilizada sobre estes substratos e (ii) obtenção de oligômeros divinílicos mediada pela HRP. Na primeira parte, a imobilização da HRP sobre substratos planos foi estudada através de elipsometria, microscopia de força atômica (AFM) e medidas de ângulo de contato. As isotermas de adsorção da HRP sobre Si/SiO2, APS/Si/SiO2 e CABads/Si/SiO2 apresentaram um aumento contínuo da quantidade de material adsorvido ΓHRP em função da concentração da solução de enzima até atingir um patamar de adsorção no qual verificou-se a formação de uma monocamada de HRP adsorvida. Nestes casos, o processo de adsorção da HRP pode ser descrito pelo modelo de adsorção aleatória (RSA). Para filmes HRP/CABspin/Si/SiO2 e HRP/CMCABspin/Si/SiO2 observou-se adsorção cooperativa de moléculas de HRP e formação de multicamadas. A adsorção da HRP sobre Si/SiO2, filmes APS, CABads e CMCABspin é um processo irreversível. Ao contrário, HRP adsorve reversivelmente sobre filmes CABspin, fato evidenciado pelo decréscimo de ~30% na espessura dos filmes de enzima. A atividade catalítica dos filmes de HRP imobilizados sobre substratos planos foi verificada na reação de oxidação do ABTS. Os testes de atividade catalítica mostraram que os substratos com a HRP adsorvida podem ser reutilizados 3 vezes sem dessorção ou perda da atividade catalítica da enzima, com exceção dos filmes HRP/CABspin/Si/SiO2 que se tornam inativos após a primeira catálise. A condição de máxima atividade catalítica de HRP imobilizada foi correlacionada com grau de cobertura de ~55%. O emprego do monômero etileno glicol dimetacrilato (EGDMA) em reações de polimerização catalisadas por filmes HRP/Si/SiO2 ou pela HRP livre em solução à temperatura ambiente revelou a formação de partículas cristalinas com geometria poligonal. Com objetivo de compreender a formação das estruturas cristalinas, a segunda parte do trabalho focou a formação de oligômeros de EGDMA e trietileno glicol dimetacrilato (TEGDMA) em meio aquoso catalisada pela HRP na presença H2O2 a temperatura ambiente. Os oligômeros de EGDMA e/ou TEGDMA foram caracterizados por gravimetria, cromatografia de permeação em gel, espectroscopia vibracional na região do infravermelho e espectroscopia 1H RMN. A auto-associação dos oligômeros originou partículas cristalinas com ângulos retos, como evidenciado pelas imagens de microscopia eletrônica de varredura. As medidas de calorimetria exploratória diferencial e difração de raio-x confIrmaram a cristalinidade das amostras. Os oligômeros de EGDMA, TEGDMA e EGDMA-co-TEGDMA sintetizados na presença do sistema HRP-H2O2 apresentaram grupos vinila pendentes, boa solubilidade em clorofórmio e ponto de fusão bem definido, evidenciando pouca reticulação ou ciclização e mostrando que as propriedades catalíticas da HRP propiciam um ambiente reacional apropriado para produzir materiais poliméricos com novas características. / This work is divided into two parts: (i) study on the adsorption of the enzyme horseradish peroxidase (HRP) onto flat substrates (silicon wafers, ASP/Si/SiO2 films, CABads/Si/SiO2 films, CABspin/Si/SiO2 films, and CMCABspin/Si/SiO2 films) followed by enzymatic catalytic tests of HRP immobilized onto these substrates, and (ii) formation of divinyl-based oligomers mediated by HRP. In the first part, the HRP immobilization onto flat substrates was investigated by means of ellipsometry, atomic force microscopy (AFM), and contact angle measurements. Adsorption isotherms of HRP onto silicon wafers, APS/Si/SiO2, and CABads/Si/SiO2 presented the continuous increase of HRP adsorbed amount ΓHRP as a function of enzyme solution concentration until an adsorption plateau, which evidenced monolayer formation. In these cases, the HRP adsorption process can be described by the random sequential adsorption model (RSA). For HRP/CABspin/Si/SiO2 and HRP/CMCABspin/Si/SiO2 cooperative adsorption of HRP molecules and multilayer formation were evidenced. The HRP adsorption onto silicon wafers, APS, CABads, and CMCABspin films is an irreversible process. Contrarily, HRP adsorbed reversibly onto CABspin films, since desorption of ~30% could be detected. The catalytic activity of HRP films immobilized onto flat substrates was verified by oxidation reaction of ABTS. Catalytic tests showed that substrates with adsorbed HRP can be reused three times without desorption or catalytic activity lost, except for HRP/CABspin/Si/SiO2 films, which became inactive after first use. The emulsion polymerization of ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) in mediated by HRP/Si/SiO2 films or by free HRP at room temperature revealed the formation of crystalline particles with polygonal geometry. In order to understand the formation of such crystalline structures, the second part of this thesis focused on EGDMA and/or triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) oligomers formation in aqueous medium catalyzed by HRP in the presence of H2O2 at room temperature. EGDMA and/or TEGDMA oligomers were characterized by means of gravimetry, gel permeation chromatography, infrared vibrational spectroscopy and 1H NMR spectroscopy. Self-assembling of oligomers led to right-angled crystalline particles, as evidenced by scanning electron microscopy images. Differential scanning calorimetry and X-ray diffractometry measurements ratified the samples crystallinity. EGDMA, TEGDMA and EGDMA-co-TEGDMA oligomers synthesized in the presence of HRP-H2O2 system presented pendant vinyl groups along the chains, good solubility in chloroform, and well defined melting point. These features evidenced few crosslinking or cyclization and revealed that the catalytic properties of HRP provide an appropriate environrnent for production of materials with new characteristics.

O presente estudo demonstrou que a formação de cavidades (breath figures) em filmes de CA, CAPh, CAB e CMCAB preparados por spin-coating de soluções em tetrahidrofurano (THF) foi dependente das características moleculares dos polímeros quando preparados em ambiente com umidade relativa baixa (UR 35%), enquanto que em UR mais elevadas (55% e 75%) o balanço entre a energia superficial da água, THF e energia interfacial entre água e THF foi determinante. Por outro lado, a rápida exposição (de 3 a 6 min) desses filmes ao vapor de solvente teve um efeito plastificante tornando os filmes de CAB, CAPh e CMCAB completamente lisos, enquanto que para filmes de CA foi observado o efeito dewetting. Surfactantes biocompatíveis à base de sorbitano (Tween®) foram usados como plastificantes para filmes de ésteres de celulose obtidos por evaporação de solvente. O comportamento térmico dos filmes foi dependente do tamanho da cauda hidrofóbica do surfactante, do tipo do grupo lateral dos polímeros e da composição da mistura. Tween 20 e 40 mostraram agir como um excelente plastificante para os ésteres de celulose, exceto para o CA, no qual foi imiscível. Teores baixos de Tween favoreceram a flexibilidade das cadeias de polímeros ao passo que quantidades maiores aumentaram a mobilidade molecular dos ésteres de celulose levando a variações de Tg de até 200 °C. Filmes de nanocompósitos de CAB reforçados com nanocristais de celulose (CNC) modificados com diferentes grupos funcionais (acetato e metiladipoíla) foram preparados a partir de dispersões em acetato de etila (AE), THF e N,N-dimetilformamida (DMF). A melhor estabilidade coloidal foi verificada em DMF, devido sua alta polaridade. Suspensões em AE e THF de CNC modificados foram mais estáveis do que CNC por conta das interações entre grupos substituintes e solventes. As propriedades mecânicas dos nanocompósitos, resultantes da dispersibilidade de nanocristais na matriz de CAB mostraram forte relação com a estabilidade coloidal das dispersões. Beads de celulose foram obtidos utilizando polpa pré-tratada de eucalipto, oxidados e utilizados como suporte para incorporação de um agente bactericida QPVP-C5. Bactérias de Micrococcus luteus adsorveram sobre beads oxidados e nos beads contendo baixa quantidade de QPVP-C5 adsorvido e foi observada propriedade biocida nos beads com elevada quantidade de QPVP-C5 adsorvido. Os resultados mostram o preparo de materiais celulósicos multifuncionais de baixo custo e simples preparação para aplicações em meios aquosos com a finalidade de imobilização e ação biocida frente a bactérias Gram-positivas. / The present study demonstrated that the breath figures formation in CA, CAPh, CAB and CMCAB films spin-coated from solutions in tetrahydrofuran (THF) was dependent on the polymers molecular characteristics when prepared under low relative humidity (RH 35%), whereas under higher RH (55% and 75%), the balance among water and THF surface energy and interfacial energy between water and THF was determinant. On the other hand, the short solvent vapor exposure had a plasticizer effect, making CAB, CAPh and CMCAB films completely smooth (from 3 up to 6 min), while dewetting phenomena was observed for CA films. Biocompatible sorbitan-based surfactants (Tween®) were used as plasticizer for CA, CAPh, CAB and CMCAB casted films. The thermal behavior of films was dependent on the size of surfactant hydrophobic tail, type of polymer side group and the mixture composition. Tween 20 and 40 showed act as an excellent plasticizer for cellulose esters, except for CA, which was immiscible. Low Tween content favored polymeric chains flexibility while higher content increased the cellulose esters molecular mobility leading to Tg variations up to 200 °C. CAB-based nanocomposites casted films reinforced with cellulose nanocrystals (CNC) modified with different functional groups (acetate and methyl adipoil) were prepared from dispersions in ethyl acetate (EA), THF and N,N-dimethylformamide (DMF). The best colloidal stability was verified in DMF, due its high polarity. Suspensions in EA and THF of modified CNC where more stable than unmodified CNC, regarding the interactions among substituents groups and solvents. The mechanical properties of nanocomposites stemming from nanocrystals dispersibility in the CAB matrix showed strong relationship with the colloidal stability. Cellulose beads were obtained by using pretreated Eucalyptus pulp, oxidized and used as a support for the incorporation of a biocide agent. Micrococcus luteus bacteria adsorbed onto oxidized beads and on the beads with low content of adsorbed QPVP-C5. It was observed biocide property for the beads with high QPVP-C5 content. The results show the simple preparation of low cost multifunctional cellulosic materials for applications in aqueous media for the purpose of immobilization and biocide action against Gram-positive bacteria.

O presente trabalho visou à valorização da fibra lignocelulósica de sisal, focando principalmente em seu componente majoritário, a celulose, através da síntese de ésteres de celulose e também na preparação de diferentes materiais. A escolha dessa fonte lignocelulósica deveu-se a sua disponibilidade no país, sendo o Brasil o maior produtor e exportador mundial, e por se tratar de uma fonte de fibras com alto teor de celulose e de curto ciclo de crescimento. A síntese de ésteres de celulose com diferentes tamanhos de cadeia (acetatos, butanoatos e hexanoatos) e grau de substituição (GS) foi explorada, em meios homogêneo e heterogêneo, visando à identificação de condições que levassem aos melhores rendimentos. Em meio homogêneo, utilizando DMAc/LiCl como sistema de solvente e anidridos ácidos como agentes esterificantes, a síntese de ésteres de celulose com diferentes tamanhos de cadeia e GS (0,2-3,0) foi possível, apenas ajustando-se a razão MolAnidrido/MolCelulose. Em meio heterogêneo, diferentes rotas de síntese foram exploradas. Com o uso do sistema anidrido ácido/iodo metálico (catalisador), apenas ésteres de cadeia curta (acetatos) puderam ser obtidos com alta eficiência. Na busca de rotas alternativas para a obtenção de ésteres de cadeias mais longas, o uso de cloreto ácido e piridina (como meio reacional e como catalisador nucleofílico, respectivamente) levou à obtenção de butanoatos de celulose completamente substituídos, em apenas 30 minutos. Posteriormente, os ésteres de celulose, preparados em meio homogêneo, foram considerados como materiais de partida na preparação de filmes e biocompósitos [ésteres de celulose/celulose (0-20%)], também utilizando DMAc/LiCl como sistema de solvente. Os resultados de análise dinâmico- mecânica (DMA) e ensaios de tração revelaram que, de modo geral, a introdução de celulose levou a biocompósitos com propriedades superiores em relação aos filmes sem celulose. Resultados superiores de módulo de armazenamento e resistência à tração foram obtidos com a consequente geração de materiais que apresentaram valores superiores de Módulo de Tração e menor alongamento na ruptura. Por exemplo, biocompósitos a partir de butanoato de celulose (GS 1,8) com 20% de celulose mostraram valor de módulo de armazenamento (675 MPa) quase 4x maior que o mesmo filme sem reforço (195 MPa). Para os filmes a partir de hexanoatos de celulose (GS 1,8), a adição de celulose aumentou a resistência à tração em até 1 unidade (15% de celulose), em relação ao filme sem reforço. Por meio do uso de técnicas avançadas de caracterização de superfície (XPS e ToF-SIMS), pôde-se estudar a distribuição dos grupos ésteres nas superfícies dos filmes, assim como a influência da variação do tamanho da cadeia do éster, GS e da presença da celulose nesta distribuição. Em linhas gerais, quando a cadeia lateral manteve-se constante (butanoatos), os resultados de XPS revelaram um aumento na contribuição do carbono alifático com o aumento do GS. Em relação à cobertura superficial por cadeias alifáticas dos grupos ésteres, os resultados de XPS indicaram uma maior concentração de celulose na superfície da matriz do biocompósito preparado a partir de acetato de celulose. Por outro lado, para os ésteres de cadeias maiores (butanoatos e hexanoatos de celulose), os resultados de XPS apontaram que a celulose estaria majoritariamente presente nas camadas mais internas, gerando um maior recobrimento da superfície dos biocompósitos pelos grupos ésteres da matriz. De acordo com os dados de ToF-SIMS, os grupos ésteres se distribuíram de maneira uniforme ao longo das superfícies dos filmes e biocompósitos. Posteriormente, após uma exploração de diversas condições de pré-tratamento na massa celulósica, as quais visaram condições ótimas para a dissolução da celulose em sistema aquoso de NaOH/Uréia e posterior coagulação em meio ácido, microesferas de celulose de sisal foram preparadas com sucesso. Essas microesferas de celulose apresentam potencialidade de aplicação em diversas áreas, como na liberação controlada de fármacos e cromatografia. Na etapa final, a fibra lignocelulósica e a celulose de sisal foram consideradas como materiais de partida em um estudo envolvendo a técnica de eletrofiação a temperatura ambiente, utilizando ácido trifluoroacético (TFA) como solvente. A partir do uso dessa técnica, a dissolução da fibra lignocelulósica e sua posterior reconstrução levou a formação de fibras ultrafinas (120 a 510 nm). A eletrofiação da celulose de sisal levou a formação de fibras ultrafinas e nanofibras (<100 nm), em um amplo intervalo de diâmetros, apenas ajustando-se a vazão da solução. Os resultados obtidos neste trabalho abrem uma vasta gama de possíveis aplicações, nas quais as fibras ultrafinas e nanofibras, preparadas a partir da biomassa lignocelulósica, podem ser empregadas, tais como membranas, filmes em estruturas do tipo sanduíche ou mesmo como reforço em compósitos. Através do presente trabalho, diferentes tipos de materiais foram preparados, a partir da fibra lignocelulósica e da celulose de sisal, ampliando as possibilidades de aplicação destes materiais em diversas áreas. / The present investigation aimed at the valorization of the lignocellulosic sisal fiber, mainly focusing on its main component, i.e. cellulose, through the synthesis of cellulose esters and preparation of different materials. This lignocellulosic source was chosen due to its availability in the country since Brazil is the largest producer and exporter worldwide and also because this lignocellulosic source has a high cellulose content and a short life cycle. The synthesis of cellulose esters with varied chain lengths (acetates, butanoatos and hexanoates) and degree of substitution (DS) was explored in homogeneous and heterogeneous media in order to identify the conditions that led to better yields. In the homogeneous medium, by using DMAc/LiCl as the solvent system and acid anhydrides as the esterifying agents, the synthesis of cellulose esters with varied chain lengths and DS (0.2-3.0) was possible by only adjusting the MolAnhydride/MolCellulose ratio. In the heterogeneous medium, different synthesis routes were explored. By using acid anhydride/metallic iodine (catalyst) as the system, only short-chain cellulose esters (acetates) could be obtained with high efficiency. In the search for new routes to obtain cellulose esters with longer chains, completely substituted esters (GS 3.0) were obtained by using acid chloride and pyridine (as the reaction medium and nucleophilic catalyst) in just 30 minutes. Afterwards, by using the same solvent system (DMAc/LiCl), cellulose esters prepared in a homogeneous medium were used as starting materials in the preparation of films and biocomposites [cellulose ester/cellulose (0-20 wt%)]. The results of dynamic-mechanical analysis (DMA) and tensile tests revealed that, in general, the cellulose loading led to biocomposites with superior properties than the films without cellulose. Thus, higher values of storage modulus and tensile strength were obtained, which consequently led to materials with higher Young Modulus and lower elongation at break. For example, biocomposites from cellulose butanoate (GS 1.8) with 20 wt% of cellulose showed a storage module value (675 MPa) almost 4 times higher than the film without cellulose (195 MPa). For the cellulose biocomposites from cellulose hexanoate (GS 1.8), the cellulose loading increased the tensile strength up to 1 unit (15 wt% cellulose) comparatively to the film without cellulose. By means of advanced techniques of surface characterization (XPS and ToF-SIMS), the distribution of the cellulose ester groups along the films/biocomposites surfaces were studied as well as the influence of the different cellulose esters chain lengths, DS and presence of cellulose on that distribution. XPS results revealed an increase in the contribution of the aliphatic carbon as the DS increased when the side chain remained constant (butanoates). Regarding the surface coverage by aliphatic chains of the ester groups, XPS results indicated a higher concentration of cellulose on the surface of the biocomposite prepared from cellulose acetate as its matrix. Conversely, for the cellulose esters with longer chains (butanoates and hexanoates), XPS results pointed that the cellulose was mostly present in the inner layers, which generated a higher surface coverage of these biocomposites\' surfaces by the aliphatic chains of the ester groups. According to the ToF- SIMS results, the esters groups were evenly distributed on the surface of the films and biocomposites. Thereafter, beads from sisal cellulose were successfully prepared after an exploration of various pre-treatment conditions on the cellulosic mass, where optimal conditions were found to lead to complete cellulose dissolution in NaOH/Urea aqueous system followed by coagulation in acid medium. Cellulose beads present a high potential of application in several areas, for example in controlled drug delivery and chromatography. At the final stage of this work, the lignocellulosic sisal and sisal cellulose fibers were used as starting materials in a study involving the electrospinning technique at room temperature, by using trifluoroacetic acid (TFA) as solvent. Through this technique, the lignocellulosic fiber dissolution and later reconstruction led to ultrathin fibers (120 to 510 nm). The electrospinning of sisal cellulose led to ultrathin fibers and nanofibers (<100 nm) in a wide interval of diameters, by only varying the solution flow rate. The results obtained in this investigation open a wide range of possible applications, in which the ultrathin and nanofibers prepared from the lignocellulosic biomass can be used, such as membranes, sandwich-type structure of films or as reinforcement in composite materials. Through the present work, different materials were prepared from the lignocellulosic sisal and sisal cellulose fibers, which contributed to expand the possibilities of application of these materials in diverse areas.

O presente estudo demonstrou que a formação de cavidades (breath figures) em filmes de CA, CAPh, CAB e CMCAB preparados por spin-coating de soluções em tetrahidrofurano (THF) foi dependente das características moleculares dos polímeros quando preparados em ambiente com umidade relativa baixa (UR 35%), enquanto que em UR mais elevadas (55% e 75%) o balanço entre a energia superficial da água, THF e energia interfacial entre água e THF foi determinante. Por outro lado, a rápida exposição (de 3 a 6 min) desses filmes ao vapor de solvente teve um efeito plastificante tornando os filmes de CAB, CAPh e CMCAB completamente lisos, enquanto que para filmes de CA foi observado o efeito dewetting. Surfactantes biocompatíveis à base de sorbitano (Tween®) foram usados como plastificantes para filmes de ésteres de celulose obtidos por evaporação de solvente. O comportamento térmico dos filmes foi dependente do tamanho da cauda hidrofóbica do surfactante, do tipo do grupo lateral dos polímeros e da composição da mistura. Tween 20 e 40 mostraram agir como um excelente plastificante para os ésteres de celulose, exceto para o CA, no qual foi imiscível. Teores baixos de Tween favoreceram a flexibilidade das cadeias de polímeros ao passo que quantidades maiores aumentaram a mobilidade molecular dos ésteres de celulose levando a variações de Tg de até 200 °C. Filmes de nanocompósitos de CAB reforçados com nanocristais de celulose (CNC) modificados com diferentes grupos funcionais (acetato e metiladipoíla) foram preparados a partir de dispersões em acetato de etila (AE), THF e N,N-dimetilformamida (DMF). A melhor estabilidade coloidal foi verificada em DMF, devido sua alta polaridade. Suspensões em AE e THF de CNC modificados foram mais estáveis do que CNC por conta das interações entre grupos substituintes e solventes. As propriedades mecânicas dos nanocompósitos, resultantes da dispersibilidade de nanocristais na matriz de CAB mostraram forte relação com a estabilidade coloidal das dispersões. Beads de celulose foram obtidos utilizando polpa pré-tratada de eucalipto, oxidados e utilizados como suporte para incorporação de um agente bactericida QPVP-C5. Bactérias de Micrococcus luteus adsorveram sobre beads oxidados e nos beads contendo baixa quantidade de QPVP-C5 adsorvido e foi observada propriedade biocida nos beads com elevada quantidade de QPVP-C5 adsorvido. Os resultados mostram o preparo de materiais celulósicos multifuncionais de baixo custo e simples preparação para aplicações em meios aquosos com a finalidade de imobilização e ação biocida frente a bactérias Gram-positivas. / The present study demonstrated that the breath figures formation in CA, CAPh, CAB and CMCAB films spin-coated from solutions in tetrahydrofuran (THF) was dependent on the polymers molecular characteristics when prepared under low relative humidity (RH 35%), whereas under higher RH (55% and 75%), the balance among water and THF surface energy and interfacial energy between water and THF was determinant. On the other hand, the short solvent vapor exposure had a plasticizer effect, making CAB, CAPh and CMCAB films completely smooth (from 3 up to 6 min), while dewetting phenomena was observed for CA films. Biocompatible sorbitan-based surfactants (Tween®) were used as plasticizer for CA, CAPh, CAB and CMCAB casted films. The thermal behavior of films was dependent on the size of surfactant hydrophobic tail, type of polymer side group and the mixture composition. Tween 20 and 40 showed act as an excellent plasticizer for cellulose esters, except for CA, which was immiscible. Low Tween content favored polymeric chains flexibility while higher content increased the cellulose esters molecular mobility leading to Tg variations up to 200 °C. CAB-based nanocomposites casted films reinforced with cellulose nanocrystals (CNC) modified with different functional groups (acetate and methyl adipoil) were prepared from dispersions in ethyl acetate (EA), THF and N,N-dimethylformamide (DMF). The best colloidal stability was verified in DMF, due its high polarity. Suspensions in EA and THF of modified CNC where more stable than unmodified CNC, regarding the interactions among substituents groups and solvents. The mechanical properties of nanocomposites stemming from nanocrystals dispersibility in the CAB matrix showed strong relationship with the colloidal stability. Cellulose beads were obtained by using pretreated Eucalyptus pulp, oxidized and used as a support for the incorporation of a biocide agent. Micrococcus luteus bacteria adsorbed onto oxidized beads and on the beads with low content of adsorbed QPVP-C5. It was observed biocide property for the beads with high QPVP-C5 content. The results show the simple preparation of low cost multifunctional cellulosic materials for applications in aqueous media for the purpose of immobilization and biocide action against Gram-positive bacteria.

Este trabalho está dividido em duas partes: (i) estudo da adsorção da enzima horseradish peroxidase (HRP) sobre substratos planos (lâminas de Si/SiO2, filmes ASP/Si/SiO2, filmes CABads/Si/SiO2, filmes CABspin/Si/SiO2 e filmes CMCABspin/Si/SiO2) seguida de testes da atividade enzimática da HRP imobilizada sobre estes substratos e (ii) obtenção de oligômeros divinílicos mediada pela HRP. Na primeira parte, a imobilização da HRP sobre substratos planos foi estudada através de elipsometria, microscopia de força atômica (AFM) e medidas de ângulo de contato. As isotermas de adsorção da HRP sobre Si/SiO2, APS/Si/SiO2 e CABads/Si/SiO2 apresentaram um aumento contínuo da quantidade de material adsorvido ΓHRP em função da concentração da solução de enzima até atingir um patamar de adsorção no qual verificou-se a formação de uma monocamada de HRP adsorvida. Nestes casos, o processo de adsorção da HRP pode ser descrito pelo modelo de adsorção aleatória (RSA). Para filmes HRP/CABspin/Si/SiO2 e HRP/CMCABspin/Si/SiO2 observou-se adsorção cooperativa de moléculas de HRP e formação de multicamadas. A adsorção da HRP sobre Si/SiO2, filmes APS, CABads e CMCABspin é um processo irreversível. Ao contrário, HRP adsorve reversivelmente sobre filmes CABspin, fato evidenciado pelo decréscimo de ~30% na espessura dos filmes de enzima. A atividade catalítica dos filmes de HRP imobilizados sobre substratos planos foi verificada na reação de oxidação do ABTS. Os testes de atividade catalítica mostraram que os substratos com a HRP adsorvida podem ser reutilizados 3 vezes sem dessorção ou perda da atividade catalítica da enzima, com exceção dos filmes HRP/CABspin/Si/SiO2 que se tornam inativos após a primeira catálise. A condição de máxima atividade catalítica de HRP imobilizada foi correlacionada com grau de cobertura de ~55%. O emprego do monômero etileno glicol dimetacrilato (EGDMA) em reações de polimerização catalisadas por filmes HRP/Si/SiO2 ou pela HRP livre em solução à temperatura ambiente revelou a formação de partículas cristalinas com geometria poligonal. Com objetivo de compreender a formação das estruturas cristalinas, a segunda parte do trabalho focou a formação de oligômeros de EGDMA e trietileno glicol dimetacrilato (TEGDMA) em meio aquoso catalisada pela HRP na presença H2O2 a temperatura ambiente. Os oligômeros de EGDMA e/ou TEGDMA foram caracterizados por gravimetria, cromatografia de permeação em gel, espectroscopia vibracional na região do infravermelho e espectroscopia 1H RMN. A auto-associação dos oligômeros originou partículas cristalinas com ângulos retos, como evidenciado pelas imagens de microscopia eletrônica de varredura. As medidas de calorimetria exploratória diferencial e difração de raio-x confIrmaram a cristalinidade das amostras. Os oligômeros de EGDMA, TEGDMA e EGDMA-co-TEGDMA sintetizados na presença do sistema HRP-H2O2 apresentaram grupos vinila pendentes, boa solubilidade em clorofórmio e ponto de fusão bem definido, evidenciando pouca reticulação ou ciclização e mostrando que as propriedades catalíticas da HRP propiciam um ambiente reacional apropriado para produzir materiais poliméricos com novas características. / This work is divided into two parts: (i) study on the adsorption of the enzyme horseradish peroxidase (HRP) onto flat substrates (silicon wafers, ASP/Si/SiO2 films, CABads/Si/SiO2 films, CABspin/Si/SiO2 films, and CMCABspin/Si/SiO2 films) followed by enzymatic catalytic tests of HRP immobilized onto these substrates, and (ii) formation of divinyl-based oligomers mediated by HRP. In the first part, the HRP immobilization onto flat substrates was investigated by means of ellipsometry, atomic force microscopy (AFM), and contact angle measurements. Adsorption isotherms of HRP onto silicon wafers, APS/Si/SiO2, and CABads/Si/SiO2 presented the continuous increase of HRP adsorbed amount ΓHRP as a function of enzyme solution concentration until an adsorption plateau, which evidenced monolayer formation. In these cases, the HRP adsorption process can be described by the random sequential adsorption model (RSA). For HRP/CABspin/Si/SiO2 and HRP/CMCABspin/Si/SiO2 cooperative adsorption of HRP molecules and multilayer formation were evidenced. The HRP adsorption onto silicon wafers, APS, CABads, and CMCABspin films is an irreversible process. Contrarily, HRP adsorbed reversibly onto CABspin films, since desorption of ~30% could be detected. The catalytic activity of HRP films immobilized onto flat substrates was verified by oxidation reaction of ABTS. Catalytic tests showed that substrates with adsorbed HRP can be reused three times without desorption or catalytic activity lost, except for HRP/CABspin/Si/SiO2 films, which became inactive after first use. The emulsion polymerization of ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) in mediated by HRP/Si/SiO2 films or by free HRP at room temperature revealed the formation of crystalline particles with polygonal geometry. In order to understand the formation of such crystalline structures, the second part of this thesis focused on EGDMA and/or triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) oligomers formation in aqueous medium catalyzed by HRP in the presence of H2O2 at room temperature. EGDMA and/or TEGDMA oligomers were characterized by means of gravimetry, gel permeation chromatography, infrared vibrational spectroscopy and 1H NMR spectroscopy. Self-assembling of oligomers led to right-angled crystalline particles, as evidenced by scanning electron microscopy images. Differential scanning calorimetry and X-ray diffractometry measurements ratified the samples crystallinity. EGDMA, TEGDMA and EGDMA-co-TEGDMA oligomers synthesized in the presence of HRP-H2O2 system presented pendant vinyl groups along the chains, good solubility in chloroform, and well defined melting point. These features evidenced few crosslinking or cyclization and revealed that the catalytic properties of HRP provide an appropriate environrnent for production of materials with new characteristics.

O presente trabalho visou à valorização da fibra lignocelulósica de sisal, focando principalmente em seu componente majoritário, a celulose, através da síntese de ésteres de celulose e também na preparação de diferentes materiais. A escolha dessa fonte lignocelulósica deveu-se a sua disponibilidade no país, sendo o Brasil o maior produtor e exportador mundial, e por se tratar de uma fonte de fibras com alto teor de celulose e de curto ciclo de crescimento. A síntese de ésteres de celulose com diferentes tamanhos de cadeia (acetatos, butanoatos e hexanoatos) e grau de substituição (GS) foi explorada, em meios homogêneo e heterogêneo, visando à identificação de condições que levassem aos melhores rendimentos. Em meio homogêneo, utilizando DMAc/LiCl como sistema de solvente e anidridos ácidos como agentes esterificantes, a síntese de ésteres de celulose com diferentes tamanhos de cadeia e GS (0,2-3,0) foi possível, apenas ajustando-se a razão MolAnidrido/MolCelulose. Em meio heterogêneo, diferentes rotas de síntese foram exploradas. Com o uso do sistema anidrido ácido/iodo metálico (catalisador), apenas ésteres de cadeia curta (acetatos) puderam ser obtidos com alta eficiência. Na busca de rotas alternativas para a obtenção de ésteres de cadeias mais longas, o uso de cloreto ácido e piridina (como meio reacional e como catalisador nucleofílico, respectivamente) levou à obtenção de butanoatos de celulose completamente substituídos, em apenas 30 minutos. Posteriormente, os ésteres de celulose, preparados em meio homogêneo, foram considerados como materiais de partida na preparação de filmes e biocompósitos [ésteres de celulose/celulose (0-20%)], também utilizando DMAc/LiCl como sistema de solvente. Os resultados de análise dinâmico- mecânica (DMA) e ensaios de tração revelaram que, de modo geral, a introdução de celulose levou a biocompósitos com propriedades superiores em relação aos filmes sem celulose. Resultados superiores de módulo de armazenamento e resistência à tração foram obtidos com a consequente geração de materiais que apresentaram valores superiores de Módulo de Tração e menor alongamento na ruptura. Por exemplo, biocompósitos a partir de butanoato de celulose (GS 1,8) com 20% de celulose mostraram valor de módulo de armazenamento (675 MPa) quase 4x maior que o mesmo filme sem reforço (195 MPa). Para os filmes a partir de hexanoatos de celulose (GS 1,8), a adição de celulose aumentou a resistência à tração em até 1 unidade (15% de celulose), em relação ao filme sem reforço. Por meio do uso de técnicas avançadas de caracterização de superfície (XPS e ToF-SIMS), pôde-se estudar a distribuição dos grupos ésteres nas superfícies dos filmes, assim como a influência da variação do tamanho da cadeia do éster, GS e da presença da celulose nesta distribuição. Em linhas gerais, quando a cadeia lateral manteve-se constante (butanoatos), os resultados de XPS revelaram um aumento na contribuição do carbono alifático com o aumento do GS. Em relação à cobertura superficial por cadeias alifáticas dos grupos ésteres, os resultados de XPS indicaram uma maior concentração de celulose na superfície da matriz do biocompósito preparado a partir de acetato de celulose. Por outro lado, para os ésteres de cadeias maiores (butanoatos e hexanoatos de celulose), os resultados de XPS apontaram que a celulose estaria majoritariamente presente nas camadas mais internas, gerando um maior recobrimento da superfície dos biocompósitos pelos grupos ésteres da matriz. De acordo com os dados de ToF-SIMS, os grupos ésteres se distribuíram de maneira uniforme ao longo das superfícies dos filmes e biocompósitos. Posteriormente, após uma exploração de diversas condições de pré-tratamento na massa celulósica, as quais visaram condições ótimas para a dissolução da celulose em sistema aquoso de NaOH/Uréia e posterior coagulação em meio ácido, microesferas de celulose de sisal foram preparadas com sucesso. Essas microesferas de celulose apresentam potencialidade de aplicação em diversas áreas, como na liberação controlada de fármacos e cromatografia. Na etapa final, a fibra lignocelulósica e a celulose de sisal foram consideradas como materiais de partida em um estudo envolvendo a técnica de eletrofiação a temperatura ambiente, utilizando ácido trifluoroacético (TFA) como solvente. A partir do uso dessa técnica, a dissolução da fibra lignocelulósica e sua posterior reconstrução levou a formação de fibras ultrafinas (120 a 510 nm). A eletrofiação da celulose de sisal levou a formação de fibras ultrafinas e nanofibras (<100 nm), em um amplo intervalo de diâmetros, apenas ajustando-se a vazão da solução. Os resultados obtidos neste trabalho abrem uma vasta gama de possíveis aplicações, nas quais as fibras ultrafinas e nanofibras, preparadas a partir da biomassa lignocelulósica, podem ser empregadas, tais como membranas, filmes em estruturas do tipo sanduíche ou mesmo como reforço em compósitos. Através do presente trabalho, diferentes tipos de materiais foram preparados, a partir da fibra lignocelulósica e da celulose de sisal, ampliando as possibilidades de aplicação destes materiais em diversas áreas. / The present investigation aimed at the valorization of the lignocellulosic sisal fiber, mainly focusing on its main component, i.e. cellulose, through the synthesis of cellulose esters and preparation of different materials. This lignocellulosic source was chosen due to its availability in the country since Brazil is the largest producer and exporter worldwide and also because this lignocellulosic source has a high cellulose content and a short life cycle. The synthesis of cellulose esters with varied chain lengths (acetates, butanoatos and hexanoates) and degree of substitution (DS) was explored in homogeneous and heterogeneous media in order to identify the conditions that led to better yields. In the homogeneous medium, by using DMAc/LiCl as the solvent system and acid anhydrides as the esterifying agents, the synthesis of cellulose esters with varied chain lengths and DS (0.2-3.0) was possible by only adjusting the MolAnhydride/MolCellulose ratio. In the heterogeneous medium, different synthesis routes were explored. By using acid anhydride/metallic iodine (catalyst) as the system, only short-chain cellulose esters (acetates) could be obtained with high efficiency. In the search for new routes to obtain cellulose esters with longer chains, completely substituted esters (GS 3.0) were obtained by using acid chloride and pyridine (as the reaction medium and nucleophilic catalyst) in just 30 minutes. Afterwards, by using the same solvent system (DMAc/LiCl), cellulose esters prepared in a homogeneous medium were used as starting materials in the preparation of films and biocomposites [cellulose ester/cellulose (0-20 wt%)]. The results of dynamic-mechanical analysis (DMA) and tensile tests revealed that, in general, the cellulose loading led to biocomposites with superior properties than the films without cellulose. Thus, higher values of storage modulus and tensile strength were obtained, which consequently led to materials with higher Young Modulus and lower elongation at break. For example, biocomposites from cellulose butanoate (GS 1.8) with 20 wt% of cellulose showed a storage module value (675 MPa) almost 4 times higher than the film without cellulose (195 MPa). For the cellulose biocomposites from cellulose hexanoate (GS 1.8), the cellulose loading increased the tensile strength up to 1 unit (15 wt% cellulose) comparatively to the film without cellulose. By means of advanced techniques of surface characterization (XPS and ToF-SIMS), the distribution of the cellulose ester groups along the films/biocomposites surfaces were studied as well as the influence of the different cellulose esters chain lengths, DS and presence of cellulose on that distribution. XPS results revealed an increase in the contribution of the aliphatic carbon as the DS increased when the side chain remained constant (butanoates). Regarding the surface coverage by aliphatic chains of the ester groups, XPS results indicated a higher concentration of cellulose on the surface of the biocomposite prepared from cellulose acetate as its matrix. Conversely, for the cellulose esters with longer chains (butanoates and hexanoates), XPS results pointed that the cellulose was mostly present in the inner layers, which generated a higher surface coverage of these biocomposites\' surfaces by the aliphatic chains of the ester groups. According to the ToF- SIMS results, the esters groups were evenly distributed on the surface of the films and biocomposites. Thereafter, beads from sisal cellulose were successfully prepared after an exploration of various pre-treatment conditions on the cellulosic mass, where optimal conditions were found to lead to complete cellulose dissolution in NaOH/Urea aqueous system followed by coagulation in acid medium. Cellulose beads present a high potential of application in several areas, for example in controlled drug delivery and chromatography. At the final stage of this work, the lignocellulosic sisal and sisal cellulose fibers were used as starting materials in a study involving the electrospinning technique at room temperature, by using trifluoroacetic acid (TFA) as solvent. Through this technique, the lignocellulosic fiber dissolution and later reconstruction led to ultrathin fibers (120 to 510 nm). The electrospinning of sisal cellulose led to ultrathin fibers and nanofibers (<100 nm) in a wide interval of diameters, by only varying the solution flow rate. The results obtained in this investigation open a wide range of possible applications, in which the ultrathin and nanofibers prepared from the lignocellulosic biomass can be used, such as membranes, sandwich-type structure of films or as reinforcement in composite materials. Through the present work, different materials were prepared from the lignocellulosic sisal and sisal cellulose fibers, which contributed to expand the possibilities of application of these materials in diverse areas.