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Título: Síntese de vidros borofosfato: uso como materiais antimicrobianos e crescimento de nanopartículas de cobre em catalisadores esféricos
Título(s) alternativo(s): Synthesis of borophosphate glasses: use as antimicrobial materials and growth of copper nanoparticles on spherical catalysts
Autor(es): Ccahuana Ayma, Fabián
Orientador(es): Schneider, Ricardo
Palavras-chave: Vidro
Agentes antiinfecciosos
Catálise
Glass
Anti-infective agents
Catalysis
Data do documento: 6-Ago-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Toledo
Citação: CCAHUANA AYMA, Fabian. Síntese de vidros borofosfato: uso como materiais antimicrobianos e crescimento de nanopartículas de cobre em catalisadores esféricos. 2024. Dissertação (Mestrado em Processos Químicos e Biotecnológicos) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Toledo, 2024.
Resumo: O estudo foca na síntese e aplicação de vidros borofosfatos resistentes à umidade, incorporando íons biocompatíveis como cálcio (Ca), magnésio (Mg), zinco (Zn) e cobre (Cu). Foi utilizado um método de fusão-resfriamento (melt-quenching) a 1050°C durante uma hora, aplicando um desenho experimental DOE 23 que considerou três variáveis: a porcentagem molar de óxidos de Ca-Mg (10, 12,5 e 15 %), a adição de CuO (3, 6 e 9 %) e a relação entre KH2PO4 e H3BO3 (P/B) com valores de 1, 1,5 e 2. Também foram sintetizados vidros sem CuO. O perfl de absorção de umidade foi determinado em um sistema fechado com 75 % de umidade relativa, encontrando que os vidros com P/B de 1 mostraram a melhor estabilidade química frente à água, enquanto um aumento no fosfato gerou hidrólise nos vidros com P/B de 1,5 e 2. A análise por difração de raios X (XRD) indicou que as matrizes de vidro borofosfato com P/B de 1 e 1,5 eram amorfas, enquanto para P/B de 2 houve tendência à cristalização. Após um tratamento térmico com fuxo de H2(g), foram identifcados picos característicos de nanopartículas de cobre (CuNPs). A espectroscopia infravermelha (FTIR) confrmou a formação de ligações P – O – P e B – O, evidenciando estruturas Q1 e Q2 . A microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostrou uma superfície porosa nos catalisadores. Os vidros (CaMg10Cu9) com P/B de 1 apresentaram a melhor estabilidade química e foram misturados com vidro residual para criar esferas de vidro por meio de encapsulamento. O crescimento de CuNPs foi realizado por tratamento térmico a 430°C em atmosfera de hidrogênio, resultando em CuNPs na superfície das esferas (CuNPs@VBPs), aplicáveis como catalisadores heterogêneos, o efeito cinético foi demonstrado com diferentes concentrações dos reagentes e o efeito da quantidade de catalisadores, com a possibilidade de determinar a energia de ativação, que foi de 29,0158 KJ.mol−1. Além disso, foi avaliado o efeito antibacteriano das matrizes vítreas em pó sem cobre, utilizando o método de difusão em ágar contra Staphylococcus aureus e Escherichia coli. Os resultados mostraram um maior efeito antibacteriano contra as bactérias gram-positivas, com um halo de ≈ 35 mm para os vidros com P/B de 1 e ≈ 30 mm para P/B de 2, enquanto para E. coli, o halo foi de ≈ 21 mm. Este trabalho destaca a utilização de vidros residuais como suporte para obter catalisadores estáveis com nanopartículas autossuportadas e a aplicação de vidros borofosfatos dopados com íons biocompatíveis como materiais antibacterianos potenciais.
Abstract: The study focuses on the synthesis and application of moisture-resistant borophosphate glasses, incorporating biocompatible ions such as calcium (Ca), magnesium (Mg), zinc (Zn), and copper (Cu). A melt-quenching method was used at 1050°C for one hour, applying a DOE 23 experimental design that considered three variables: the molar percentage of Ca-Mg oxides (10, 12.5, and 15 %), the addition of CuO (3, 6, and 9 %), and the ratio of KH2PO4 to H3BO3 (P/B) with values of 1, 1.5, and 2. Glasses without CuO were also synthesized. The moisture absorption profle was determined in a closed system with 75 % relative humidity, fnding that the glasses with a P/B of 1 showed the best chemical stability against water, while an increase in phosphate led to hydrolysis in the glasses with P/B of 1.5 and 2. X-ray diffraction (XRD) analysis indicated that the borophosphate glass matrices with P/B of 1 and 1.5 were amorphous, while for P/B of 2 there was a tendency towards crystallization. After a thermal treatment with H2(g) fow, characteristic peaks of copper nanoparticles (CuNPs) were identifed. Infrared spectroscopy (FTIR) confrmed the formation of P – O – P and B – O bonds, evidencing Q1 and Q2 structures. Scanning electron microscopy (SEM) showed a porous surface on the catalysts. The glasses (CaMg10Cu9) with a P/B of 1 exhibited the best chemical stability and were mixed with residual glass to create glass spheres through encapsulation. The growth of CuNPs was achieved by thermal treatment at 430°C in a hydrogen atmosphere, resulting in CuNPs on the surface of the spheres (CuNPs@VBPs), applicable as heterogeneous catalysts. The kinetic effect was demonstrated with different concentrations of reagents and the effect of the amount of catalysts, with the possibility of determining the activation energy, which was 29.0158 kJ·mol−1. Additionally, the antibacterial effect of the copper-free glass matrices in powder form was evaluated using the agar diffusion method against Staphylococcus aureus and Escherichia coli. The results showed a greater antibacterial effect against gram-positive bacteria, with a halo of ≈ 35 mm for the glasses with P/B of 1 and ≈ 30 mm for P/B of 2, while for E. coli, the halo was ≈ 21 mm. This work highlights the use of residual glasses as a support to obtain stable catalysts with self-supported nanoparticles and the application of borophosphate glasses doped with biocompatible ions as potential antibacterial materials.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35165
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