Jaké jsou výhody a aplikace biopolymerů na bázi proteinů a sacharidů?

Biopolymery jsou organické polymerní látky, které vznikají přírodními procesy v živých organismech. Mezi ně patří bílkoviny, sacharidy a lipidy, které jsou klíčovými složkami biologických systémů. V současnosti se biopolymery využívají v mnoha oblastech, od medicíny po environmentální aplikace. Tento text se zaměřuje na biopolymery založené na proteinech a sacharidech, jejich struktury a možnosti použití v různých průmyslových odvětvích.

Kazein je rodina fosfoproteinů obsažených v mléce savců, které mají schopnost tvořit micely a stabilizovat různé látky. Kazein tvoří přibližně 80 % proteinů v kravském mléce a mezi 20–40 % proteinů v lidském mléce. Jeho schopnost vázat vápník a tvořit mikroskopické struktury umožňuje přenos živin mezi matkou a dítětem, čímž se zajišťuje efektivní dodávka potřebných látek. Kazein má i další aplikace, od potravinářského průmyslu až po kosmetiku, díky své schopnosti stabilizovat a dodávat různé sloučeniny.

Keratin je další důležitý protein, který je součástí struktury vlasů, nehtů, peří a pokožky. Tento protein je bohatý na cystein, což umožňuje vytváření disulfidových vazeb, které dávají keratinu jeho vysokou pevnost a odolnost. Existují dvě hlavní formy keratinu: alfa-keratin a beta-keratin. Alfa-keratin tvoří pravotočivé α-šroubovice, které se spojují do dimerů a tvoří filamenty. Naopak beta-keratin je uspořádán do beta-skládaných listů, které se vzájemně spojují a vytvářejí vlákna. Tyto struktury poskytují keratinu jeho mechanickou pevnost a odolnost, což je důležité pro ochranu těla před vnějšími vlivy.

Biopolymery na bázi sacharidů, jako je chitín a chitosan, mají širokou škálu aplikací díky své biodegradabilitě, biokompatibilitě a netoxickým vlastnostem. Chitosan je derivát chitinu, který se získává deacetylací chitinu a je známý pro své schopnosti v oblasti ochrany životního prostředí, medicíny a průmyslu. Chemická struktura chitosanu se skládá z náhodně uspořádaných β-(1 → 4)-spojených D-glukosaminových a N-acetyl-D-glukosaminových jednotek, což mu umožňuje interagovat s různými látkami, jako jsou těžké kovy, barviva a znečišťující látky.

Chitosan je vynikající materiál pro adsorpci těžkých kovů z vody, díky schopnosti jeho hydroxylových a aminoskupin chelatovat kovy jako olovo, rtuť nebo kadmium. Tento materiál je také použitelný v oblasti filtrace vody, protože dokáže neutralizovat náboje suspendovaných částic a vytvářet flokuláty, které lze snadno odstranit. Kromě toho se chitosan využívá v zemědělství, kde může fungovat jako nosič pro kontrolované uvolňování hnojiv, čímž se zajišťuje efektivní dodávka živin do půdy.

Chitosan má i další aplikace v oblasti balení, kde se z něj vyrábějí biologicky odbouratelné fólie s antimikrobiálními vlastnostmi, což může významně přispět k ochraně životního prostředí. Tyto fólie mohou být použity k balení potravin a dalších produktů, čímž snižují ekologický dopad plastového odpadu.

Využití biopolymerů, jako jsou kolagen, kazein, keratin a chitosan, ukazuje na rostoucí trend udržitelnosti a šetrnosti k životnímu prostředí v moderních technologiích. Pokroky ve výzkumu a technologii zpracování těchto materiálů stále zvyšují jejich potenciál v široké škále aplikací.

Jak charakterizovat biopolymerní materiály a jejich termální vlastnosti?

Chang et al. se zaměřili na stabilitu anionických, kationických a amfoterních nanočástic škrobu (starch NPs), přičemž zjistili, že modifikované nanočástice mají nižší teplotu dekompozice než nemodifikované nanočástice (310,83 °C). To naznačuje, že modifikace škrobu ovlivňuje jeho termální stabilitu. Tento jev je přičítán intermolekulárním silám působícím na nanočástice. Novější metodou, známou jako mikro-termogravimetrická analýza (μ-TGA), je schopna detekovat i velmi malé změny hmotnosti (méně než 1 nanogram), čímž se značně zlepšují detekční limity ve srovnání s tradiční TGA. Mansfield et al. použili μ-TGA k určení přítomnosti a množství povrchových komponent na zlatých nanočásticích (Au NPs) a k ověření existence PEG povlaku na nanočásticích oxidu křemičitého.

Při hodnocení biopolymerů na bázi poly(laktidové kyseliny) (PLA) bylo pozorováno, že biomateriály zesílené skleněnými částicemi na bázi fosfátů měly vyšší Tg ve srovnání s čistým PLA. DSC analýza byla prováděna při konstantní rychlosti zahřívání 20 °C/min. Při druhém cyklu zahřívání, po odstranění tepelné historie, bylo zjištěno, že biomateriály po zpracování metodou pěnění vykazovaly podobné hodnoty Tg mezi PLA a PLA-PG kompozity.

X-ray difrakce (XRD) je další důležitou metodou pro zkoumání strukturálních vlastností biopolymerních materiálů, přičemž poskytuje informace o velikosti a tvaru krystalů a fázi materiálu. Tato technika využívá rentgenové záření, jehož vlnová délka je na úrovni atomů, a je schopna poskytnout údaje o velikosti krystalů, mřížové konstantě, orientaci mřížky a dalších strukturních vlastnostech nanomateriálů. Výhodou XRD je, že je možné ji aplikovat na práškové vzorky, což je typické pro zkoumání koloidních roztoků po jejich vysušení. Difrakční vzory zaznamenané pomocí difraktometru poskytují informace o symetrii materiálu a jeho krystalové struktuře. Také je důležité provádět předběžnou analýzu každé složky materiálu před prováděním měření na finálním biopolymeru, aby bylo možné správně interpretovat výsledky.

Všechny tyto techniky – TGA, DSC a XRD – se ukazují jako nezbytné pro správnou charakterizaci biopolymerů a jejich schopnost poskytnout komplexní data o jejich termální stabilitě, strukturálních vlastnostech a dynamice při změnách teploty. Tyto metody jsou rovněž cenné při vývoji nových biomateriálů pro aplikace, jako jsou lékařské implantáty, biomateriály pro řízené uvolňování léčiv, nebo pro jejich použití v různých biotechnologických procesech.

Jak zlepšení vlastností TiO2 pomocí dopantů přispívá k účinné fotokatalýze

Titanium dioxide (TiO2) je jedním z nejčastěji používaných materiálů v oblasti fotokatalýzy, zejména pro jeho schopnost aktivovat se pod vlivem ultrafialového záření. Jednou z hlavních výzev při využívání TiO2 je jeho omezená účinnost při absorpci viditelného světla, což je klíčové pro širokou aplikaci v průmyslu a ekologických technologiích. Vědecký pokrok v oblasti fotokatalýzy se soustředil na zlepšení těchto vlastností, a to především pomocí zavádění různých dopantů, zejména kovových.

Přítomnost kovových dopantů, jako je stříbro (Ag), v TiO2 je jedním z nejúspěšnějších přístupů ke zlepšení jeho schopnosti absorbovat viditelné světlo. Výzkumy ukázaly, že stříbro může vzbudit TiO2 pomocí viditelného světla, čímž se zlepšuje jeho fotokatalytická aktivita. Studie, které prováděl Reddy a jeho kolegové, dokázaly, že přidání 1 % stříbra do TiO2 výrazně zkracuje dobu potřebnou k zničení bakterií E. coli při expozici UV záření, a to z 65 minut na pouhých 16 minut. Tento efekt je způsoben vylepšeným oddělením elektronů a děr a zvětšením povrchové plochy pro adsorpci, což zvyšuje schopnost TiO2 účinně reagovat na světelnou energii.

Jako základní mechanismus zlepšení fotokatalytické aktivity je považováno přenos elektronů na TiO2 způsobený absorpcí viditelného světla povrchovými plazmony stříbra. Tento proces vede k separaci nábojů a následné aktivaci TiO2 viditelným světlem. Podobně i další kovové dopanty, jako zlato (Au), mají velký potenciál pro zlepšení fotokatalytických vlastností TiO2, čímž se rozšiřuje jejich aplikace v různých oblastech, včetně ekologie a medicíny.

TiO2 se často využívá v různých environmentálních aplikacích, jako je odstraňování oxidů dusíku (NOx). Tento proces může zahrnovat jak redukci NOx na dusík (N2), tak jeho oxidaci na oxid dusný (NO2) a kyselinu dusičnou (HNO3), která se následně používá v průmyslové výrobě hnojiv. Využití TiO2 v těchto procesech je možné díky jeho schopnosti koncentrace NO na svém povrchu, což zvyšuje jeho aktivitu a účinnost při čištění vzduchu.

Další významnou aplikací TiO2 je čištění odpadních vod, například při odstraňování těžkých kovů. Skubal a jeho kolegové použili thiolaktovou kyselinu (TLA) k úspěšnému odstranění kadmia z simulovaných odpadních vod za použití TiO2. Podobně Amezaga-Madrid a jeho tým ukázali, že tenké vrstvy TiO2 mohou snížit počet bakterií, jako je Pseudomonas aeruginosa, o 70 % během 40 minut, což naznačuje velký potenciál pro biologické čištění vody.

Stejně jako u TiO2, i u ZnO a dalších nanomateriálů, jako jsou cerium oxidu (CeO2), je možné zlepšit jejich fotokatalytické vlastnosti pomocí dopantů. Významné pokroky byly zaznamenány při použití přechodových kovů, jako je železo (Fe), kobalt (Co) nebo měď (Cu), které mohou zlepšit absorpci světla a separaci nábojů v nanomateriálech, což zvyšuje jejich efektivitu v různých aplikacích. Nicméně, i přes zlepšení účinnosti, je důležité pečlivě vyvážit množství dopantů, protože jejich nadměrné přítomnosti mohou zpomalit nebo dokonce znefunkčnit fotokatalytický proces.

Pokud se zaměříme na kombinované dopování TiO2, výzkumy ukazují, že kombinace aniontů, jako je síra (S) nebo dusík (N), s kationty, jako je železo (Fe), může výrazně zlepšit fotokatalytickou účinnost tohoto materiálu. Podle posledních studií bylo prokázáno, že TiO2 dopovaný sírou a železem vykazuje lepší výkonnost při degradaci organických látek, jako je toluen, při expozici UV nebo slunečnímu světlu.

V současnosti je kladen důraz na vývoj materiálů, které jsou účinné nejen při práci s UV zářením, ale také s viditelným světlem, což by mohlo rozšířit možnosti jejich aplikace v různých oblastech, včetně čištění vzduchu, vody nebo zpracování odpadních materiálů.