Preparation and application of chitosan-based nano/microstructures for antimicrobial protection of leather

Abstract

Currently, consumers concern a lot towards hygiene, comfort and quality on footwear. So new challenges have been created for footwear industry. The preferences of consumers towards natural products rather than synthetic ones are stimulating the use of tanned leather, which should overcome microorganisms growth problem associated with. Chitosan, the main derivative of chitin, is a special biopolymer with interesting properties, including biodegradability, biocompatibility, non-toxicity and antimicrobial activity. To improve the antimicrobial properties, chitosan can be mixed with several metals, such as silver and zinc oxide. In the present work, chitosan-based nano/microstructures for antimicrobial protection of leather were prepared, including chitosan nano/microstructures, mixed chitosan/silver nano/microstructures and chitosan/zinc oxide microstructures as well as nanoemulsions containing chitosan/eucalyptol capsules. In addition, silver nanoparticles were prepared following an environmentally-friendly method. The physicochemical properties of these formulations were determined by DLS, UV-Vis absorption spectroscopy, SEM and XRD pattern. The antibacterial activity of the chitosan-based nano/microstructures against E.coli was studied by determination of the bacterial reduction (%). Results show that the chitosan-based nano/microstructures could inhibit the growth of E. coli. It was demonstrated that there are no significant advantages in the usage of chitosan nano/microstructures relatively to strait chitosan solution. However, nano/microstructures combining chitosan and silver, gave a similar antibacterial action with c.a. 1000x lower chitosan concentration. It was also found that nanoemulsions containing chitosan/eucalyptol capsules are a promising case study for three reasons: (1) there is no need to isolate the capsules – crude reaction mixture can be introduced in the productive process; (2) the antibacterial action was increased by the essential oil; (3) the release of aroma is an additional benefit in the product.

Atualmente, a preocupação dos consumidores em relação à higiene, conforto e qualidade do calçado tem vindo a aumentar. A manutenção dos curtumes naturais em boas condições quando aplicados ao fabrico de calçado é um desafio que se mantém atual. É, por isso, muito importante encontrar soluções naturais que substituam as substâncias tradicionais sintéticas de preservação dos curtumes, para não afetar a saúde dos utilizadores. O quitosano, o principal derivado da quitina, é um polissacarídeo que apresenta características intrínsecas únicas, nomeadamente biocompatibilidade, não-toxicidade, biodegradabilidade e atividade antimicrobiana. De modo a fortalecer a sua atividade antimicrobiana, o quitosano pode ser combinado com metais, como prata e óxido de zinco. A presente dissertação tem como objetivo a produção de nano/microestruturas à base de quitosano para proteção antimicrobiana de curtumes, nomeadamente nano/microestruturas de quitosano, nano/microestruturas de quitosano/prata, microestruturas de quitosano/óxido de zinco, assim como nanoemulsões contendo cápsulas de quitosano/eucaliptol. Foram também produzidas nanopartículas de prata utilizando glucose e gelatina como reagentes. As formulações preparadas foram caracterizadas por DLS, espectroscopia absorção UV-Vis, SEM e XRD. A atividade antibacteriana das nano/microestruturas à base de quitosano foi estudada contra a estirpe da bactéria E. coli, determinando a redução bacteriana (%). Os resultados demonstram que as nano/microestruturas à base de quitosano inibem o crescimento de E. coli. Não existem vantagens significativas em produzir nano/microestruturas de quitosano relativamente à solução de quitosano. No entanto, a combinação das nano/microestruturas de quitosano/prata permite obter o mesmo efeito inibitório com uma concentração de quitosano c.a 1000x menor. As nanoemulsões contendo cápsulas de quitosano/eucaliptol são um sistema promissor por três razões: (1) não é necessário isolar as cápsulas – a mistura reacional de síntese pode ser aplicada no processo produtivo; (2) a ação antibacteriana é aumentada pelo óleo essencial; (3) a libertação de aroma constitui um efeito benéfico adicional.