Academic literature on the topic 'Nanocelulóza'

Nanofibras de celulosa extraídas a partir de rastrojo de piña y raquis de palma africana, fueron sometidas a funcionalización con ácido cólico. La nanocelulosa se caracterizó por espectroscopia infrarroja, microscopía electrónica de barrido y ángulo de contacto. Posteriormente se evaluó mediante análisis estadísticos, la influencia de dicha funcionalización en la adsorción del cromo de una disolución de Cr2(SO4)3. De lo anterior se determinó que existe una mayor adsorción del metal si se utilizan nanofibras sin funcionalizar extraídas a partir de rastrojo de piña, mientras que para las fibras extraídas a partir de raquis de palma africana la funcionalización con ácido cólico genera mejores cargas de adsorción. Finalmente se realizaron curvas de adsorción y se acoplaron a 3 modelos de isotermas de adsorción, de las cuales se establece que el modelo de Sips describe de mejor manera el comportamiento de los datos experimentales, con cargas máximas de 8,605 mg Cr/g NCF (nanocelulosa fibrillar) para la nanocelulosa sin funcionalizar extraída a partir de rastrojo de piña y 5,638 mg Cr/g NCF para la nanocelulosa funcionalizada extraída a partir de raquis de palma africana.

Contexto: En la actualidad la nanotecnología posee múltiples áreas de acción que, debido a su naturaleza, la misma puede instrumentarse con amplia versatilidad, dado que, gran cantidad de avances en nanotecnología basan sus estudios en cómo optimizar procesos cotidianos e industriales y en cómo favorecer al medio ambiente. Aunado a ello, la manipulación de la materia a este nivel permite crear soluciones con mayor proyección en impacto científico, social y económico. Para fines de esta investigación, se mostrarán resultados a nivel de laboratorio usando nanomateriales celulósicos para la adsorción de contaminantes emergentes tipo antibióticos. Método: Esta investigación se realizó a nivel de laboratorio, en donde se modificó por métodos químicos celulosa para obtener nanocelulosa por oxidación. Se realizó una caracterización de material obtenido por técnicas de espectroscopia y se evaluó la adsorción de contaminantes emergentes tipo antibiótico como la ciprofloxacina. Resultados: Los nanomateriales celulósicos tienen potencial para ser usados en tratamiento de agua terciario en la eliminación de contaminantes emergentes como la ciprofloxacina. Los resultados muestran que el nanomaterial celulósico adsorbe la ciprofloxacina en un 27 %. Conclusiones: Las membranas de nanocelulosa tienen potencial para ser usadas en un sistema de purificación de agua; aquellas echas solo con celulosa presentaron un menor porcentaje de adsorción del contaminante que las membranas con nanocelulosa.

Nanocelulozni hidrogeli so med najbolj perspektivnimi materiali z visoko dodano vrednostjo, ki jih je moč pridobiti iz celuloznih virov. V tem prispevku so predstavljeni postopki izdelave hidrogelov, ki temeljijo na nanocelulozi, ter njihova potencialna uporaba in varnostni vidik. V prihodnosti bodo namreč nanocelulozni materiali eni vodilnih produktov, ki bodo izhajali iz gozdno lesnega sektorja zaradi njihove visoke dodane vrednosti in potenciala za zamenjavo sintetičnih materialov.

Development in many areas of engineering and technology are closely linked to the development of new or improvement of existing materials. Having in mind wide use of bacterial nanocellulose (BNC) in various areas of everyday life, from biomedicine, ecology to electronics, BNC-based composites are becoming widely used and attracting the attention of the scientific community. It is especially important to examine in detail the synthesis parameters that affect the changes in the crystal structure and morphology of the obtained composites, having in mind that these changes have a crucial influence on their final functional properties. In this paper, a composite material based on bacterial nanocellulose BNC (as the matrix) and ferromagnetic Fe3O4 was studied. BNC was obtained by the activity of acetic fermentation bacteria after 7 days of growth in a suitable medium. The research is aimed to optimization of the Fe3O4 precipitation conditions. It's especially considering the time interval of BNC films spend in the iron salt solution. The influence of the performed synthesis conditions was considered by the SEMEDS, FTIR and XRD methods.

Bakterijska nanoceluloza (BNC) je obnovljiva prirodna polimerna sirovina koju karakteriziraju izvrsna svojstva poput visoke kristaliničnosti i stupnja polimerizacije, hidrofilnosti, kiralnosti, biorazgradivosti, te sposobnosti stvaranja različitih morfologija polukristaliničnih vlakana. U ovom je radu istraživan uzgoj kombuche u aerobnim uvjetima tijekom 14 dana fermentacije u kokosovoj vodi na sobnoj temperaturi, pri različitim koncentracijama saharoze. Praćene su promjene pH vrijednosti, koncentracije etanola, octene, glukonske i mliječne kiseline, kao i prinos BNC. Istraživana je kinetika otpuštanja vode iz sintetizirane BNC, a rezultati su potvrdili da su uzorci pogodni za zacjeljivanje rana na koži. Antimikrobna aktivnost kombuche je testirana na bakterijama Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Salmonella typhimurium i Bacillus subtilis, te kvascu vrste Candida albicans. Uočena je antimikrobna aktivnost fermentirane kokosove vode na bakterije, no ne u potpunosti i na kvasac C. albicans.

Polilaktidna kiselina (PLA) i bakterijska nanoceluloza (BNC) zbog svoje biorazgradljivosti, biokompatibilnosti i netoksičnosti imaju velik potencijal za primjenu u biomedicini. Cilj ovog rada bio je pripraviti i ispitati biokompozit PLA/BNC. Istražen je utjecaj BNC-a na morfološku strukturu, kemijski sastav, toplinska svojstva, toplinsku postojanost i hidrofobnost PLA te zasijavanje i rast stanica biokompozita PLA/BNC primjenom pretražnog elektronskog mikroskopa (SEM), infracrvene spektroskopije (FTIR), diferencijalne pretražne kalorimetrije (DSC) i termogravimetrijske analize (TGA) te određivanjem kontaktnog kuta i metodom MTT. Dodatkom BNC-a u PLA dolazi do pomaka staklišta (<i>T</i><sub>g</sub>) prema nižim temperaturama, što ukazuje na veću pokretljivost amorfne faze PLA te porasta stupnja kristalnosti zbog nukleacijskog učinka celuloze. Početak toplinske razgradnje pomaknut je na niže temperature u odnosu na čisti PLA, što ukazuje na smanjenje toplinske postojanosti PLA dodatkom BNC-a. Biokompozit PLA/BNC pokazuje poroznu, vlaknastu strukturu. Test zasijavanja stanica pokazao je da je biokompozit PLA/BNC pogodan za prihvaćanje i rast humanih stanica, pa je prema tome potencijalno primjenjiv u regenerativnoj medicini i tkivnom inženjerstvu.

Los materiales tradicionales derivados del petróleo como el polietileno y polipropileno son los más empleados en el campo de la protésica, sin embargo, la tendencia a la protección del medio ambiente amerita el análisis de nuevos materiales biodegradables y biocompatibles. El ácido poliláctico (PLA) es un polímero obtenido a partir de fuentes naturales, que se usa entre muchas aplicaciones en prótesis ortopédicas por su bajo costo. Con el desarrollo de la nanotecnología, pueden incorporarse nanopartículas de diferente naturaleza con el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas del PLA, sin embargo, existe información limitada. En este compendio se describen las propiedades físicas y químicas del PLA, así como las condiciones para su impresión en 3D. Se analizan varios nanomateriales tales como nanocelulosa, nanofibras de quitosano, nanotubos de carbono, grafeno, óxido de titanio, nanopartículas de óxido de hierro, nanopartículas de plata, nanopartículas de sílice mesoporosa, entre otras. Se describen estudios referentes sus propiedades químicas, mecánicas y biocompatibilidad. Como resultados se encontró que algunos nanomateriales han sido combinados con PLA, los estudios realizados para comparar sus propiedades mecánicas, muestran mejores resultados usando nanopartículas. Muy pocos estudios in vivo se han realizado, únicamente nanotubos de carbono, grafeno, óxido de titanio, nanopartículas de plata y nanopartículas de sílice mesoporosa. Se concluye que el uso de nanomateriales puede mejorar potencialmente las propiedades mecánicas del PLA, sin embargo, se requieren los estudios experimentales correspondientes, además que se deben usar modelos animales para evaluar su efecto a nivel tisular y determinar si son aptos para la combinación o recubrimiento de prótesis.

El objetivo del presente estudio fue revisar fuentes documentales sobre el contenido lignocelulósico de los residuos agrícolas del cultivo de arroz, plátano, maíz, caña de azúcar, y piña para la obtención de nanocristales de celulosa. La investigación con enfoque cualitativo- documental descriptivo recopiló datos del objeto de estudio para su análisis y evaluación. Se analizaron diversos planteamientos teóricos, procedimentales y metodológicos para la obtención de nanocristales de celulosa; se identificó el tipo de residuo generado por cada cultivo en estudio, de los cuales se describió el contenido lignocelulósico que poseen con el propósito de establecer que por su composición se constituyen en un material potencial para la obtención de nanocelulosa; luego se analizaron los métodos empleados en la obtención de nanocristales de celulosa. Con base a los documentos revisados se concluye que los diferentes residuos agrícolas poseen un contenido celulósico relevante (28-100%), por tanto, convirtiéndolos en materiales aptos para ser aprovechados para obtener nanocristales de celulosa. Palabra clave: Hidrólisis ácida, métodos de extracción, residuos lignocelulósicos. Abstract The objective of this study was to review documentary sources on the lignocellulosic content of agricultural residues from the cultivation of rice, banana, corn, sugar cane, and pineapple to obtain cellulose nanocrystals. Research with a qualitative - documentary and descriptive approach, collected data from the object of study for analysis and evaluation. Various theoretical, procedural, and methodological approaches for obtaining cellulose nanocrystals were analyzed; the type of residue generated by each culture under study was identified, of which the lignocellulosic content that they possess was described, In order to establish that their composition constitutes a potential material for obtaining nanocellulose, the methods used in obtaining cellulose nanocrystals were then analyzed. Based on the revised documents, it is concluded that the different agricultural residues have a relevant cellulosic content (28-100%), therefore, converting them into materials suitable to be used to obtain cellulose nanocrystals. Keywords: Acid hydrolysis, extraction methods, lignocellulosic residues.

This review focuses on evaluating the potential of agricultural residues produced in Ecuador (rice, banana, corn, sugar cane, pineapple) as raw material for obtaining nanocellulose. A review of published documents regarding the obtaining and applications of nanocellulose was carried out, as well as the characteristics of agro-industrial waste and production in Ecuador. Nanocellulose constitutes a versatile nanomaterial, it can be applied in areas such as health, food, engineering, environmental, electronics, etc. The physical-chemical characteristics of each of the residues derived from the production of rice, banana, corn, sugar cane, pineapple allow us to conclude in the first instance that Ecuador has a potential in the generation of matter for obtaining nanocellulose, it is However, it is necessary to develop basic and applied research that allows a use and exploitation of these wastes with a greater added value than that currently obtained. Keywords: Cellulose, nanocellulose, nanocrystals, agricultural residues. Resumen La presente revisión se enfoca en evaluar la potencialidad de residuos agrícolas producidos en Ecuador (arroz, plátano, maíz, caña de azúcar, piña) como materia prima para la obtención de nanocelulosa. Se realizó una revisión de documentos publicados respecto a la obtención y aplicaciones de nanocelulosa, así como, de las características de los residuos agroindustriales y la producción en Ecuador. La nanocelulosa constituye un nanomaterial versátil, se puede aplicar en áreas como la salud, alimentos, ingeniería, ambiental, electrónica, etc. Las características físico químicas de cada uno de los residuos derivados a partir de la producción de arroz, plátano, maíz, caña de azúcar, piña permite concluir en primera instancia que Ecuador tiene un potencial en la generación de materia para la obtención de nanocelulosa, es necesario sin embargo el desarrollo de investigación básica y aplicada que permita un uso y aprovechamiento de estos residuos con un mayor valor agregado que el que se obtiene actualmente. Palabras Clave: Celulosa, nanocelulosa, nanocristales, residuos agrícolas.

Se utilizó raquis de palma africana y bagazo de caña como materias primas para obtener nanofibrillas de celulosa por medio de un método híbrido combinando un tratamiento químico y una ruptura mecánica. La celulosa obtenida de ambas materias primas, luego de la hidrólisis fue caracterizada por Espectroscopía Infrarroja, Análisis Termogravimétrico, Microscopía Electrónica de Barrido, Microscopía de Fluorescencia y Difracción de rayos X. Se realizó una Microscopía Electrónica de Transmisión a las nanofibrillas para determinar el tamaño de las mismas. Se observó un porcentaje de remoción de lignina de 74,1 % para el raquis de palma africana y de 65,6 % para el bagazo de caña luego del tratamiento químico; lo que generó microcelulosa de 6-12 µm y de 10-18 µm para el raquis y el bagazo respectivamente. La ruptura mecánica con el sonificador de alta potencia produjo nanofibrillas de 19-24 nm para el raquis de palma y de 9,22-12 nm para el bagazo de caña; con un Índice de Cristalinidad de 70% en ambos casos.

Předkládaná dizertační práce se zabývá novým způsobem přípravy biodegradabilních polyuretanů (PU) a jejich modifikací biologicky aktivními celulózovými nanokrystaly. Literární rešerše se zaměřuje na bioresorbovatelné PU v tkáňovém inženýrství. Shrnuje příklady těchto PU elastomerů, skafoldů (nosičů buněk) i injektovatelných PU společně se způsoby biodegradace na netoxické produkty. Poslední část je zaměřena na nanocelulózu, která si získala pozornost díky svým pozoruhodným fyzikálním (velký specifický povrch, mechanické vlastnosti) a biologickým (biokompatibilita, biodegradabilita a nízká toxicita) vlastnostem jako materiál pro biomedicínu. V experimentální části byly charakterizovány amfifilní biodegradovatelné polyuretanové filmy (bio-PU) syntetizované bez použití rozpouštědla polyadiční reakcí z hydrofilního poly(ethylenglykolu) (PEG) a hydrofobního poly(e-kaprolaktonu) (PCL) jako makrodiolů společně s hexamethylen diizokyanátem. Připravené bio-PU filmy byly charakterizovány pro různé poměry jak mezi PEG/PCL, tak i mezi NCO/OH reagujícími skupinami (izokyanátový poměr). Bio-PU filmy projevily markantní nárůst mechanických vlastností při hmotnostním poměru PEG/PCL rovnému nebo menšímu než 20/80 díky vzniku krystalických domén PCL. Přítomnost PEGu zvyšovala schopnost bio-PU filmu absorbovat vodu i urychlila jeho hydrolytickou degradaci. Oproti tomu nižší absorpční schopnost a delší čas hydrolytické degradace materiálu způsobil vyšší izokyanátový poměr, a tedy i vyšší síťová hustota. Třetí část práce se zabývá přípravou polyuretanových nanokompozitů unikátní metodou bez použití rozpouštědla za využití bio-PU matrice a celulózových nanokrystalů buď nemodifikovaných, nebo povrchově roubovaných PEGem. Strukturní analýza prokázala, že přítomnost tyčinkovitých nanočástic způsobuje imobilizaci polymerních segmentů, v důsledku čehož se zvýšila tuhost a křehkost materiálu. Nastavením vhodného poměru mezi PEG/PCL, množstvím izokyanátu, či přídavkem modifikovaného nanoplniva může být bio-PU materiál "ušit na míru" s vhodnými mechanickými (houževnatost, tažnost) a fyzikálními (botnání, degradace) vlastnostmi. Díky přípravě bez použití rozpouštědla by mohly být připravené materiály využity v regenerativní medicíně např. jako cévní štěpy.

Uno de los materiales que ha tomado importancia en el último siglo es la nanocelulosa, debido a sus propiedades únicas puede ser capaz de remplazar a todos aquellos materiales que generan problemas actualmente, más aún es uno de los compuestos más abundantes de la superficie de la tierra, este material se puede extraer de todas las plantas siendo el agave y todas su morfología un buen candidato para la obtención de nanocelulosa; e incluso también su extracción es posible de animales y bacterias; debido a esto hace que su obtención sea más sencilla que el acero o algún otro metal. Al igual que otros materiales, la nanocelulosa necesita una serie de procesos para llegar a obtenerla de manera pura y con ello la obtención de otros compuestos que tienen un impacto ambiental. La eliminación de lignina contenida en las fibras lignocelulósicas es el primer paso en la obtención de celulosa y luego con ello obtener nanocelulosa. Industrialmente, la pulpa de celulosa se obtiene mediante dos etapas: pulpado y blanqueado. El método más comúnmente usado es el proceso Kraft, que proporciona altos rendimientos de pulpa, pero puede generar derivados de sulfuro que pueden estar vinculados a la celulosa y representar un problema ambiental durante la eliminación. En este sentido, en las últimas décadas han surgido procesos de fabricación de pasta respetuosos con el medio ambiente, como los métodos de Organosolv (OT). Además, el proceso de Organosolv es un método libre de azufre, basado en la extracción de lignina por su disolución en disolventes orgánicos a alta temperatura y presión, la baja viscosidad de los licores blancos de Organosolv favorece la penetración en las fibras, permitiendo que una alta cantidad de lignina sea fraccionada y de esta manera pueda ser disuelta. Además, después de la etapa de fabricación de pasta, el disolvente podría recuperarse por destilación. Después de la pulpa, parte de la lignina residual permanece en las fibras y generalmente se elimina en reacciones de blanqueo oxidativo. Durante muchos años, las principales reacciones de blanqueo han involucrado reactivos clorados ( ), pero hoy en día se evita el cloro en la mayoría de los tipos de 2 pasta debido a sus efectos ambientales negativos. Las secuencias de blanqueo actuales incluyen el uso de dióxido de cloro en secuencias libres de cloro elemental (ECF). La otra familia de secuencias de blanqueo es el blanqueo sin cloro total (TCF, por sus siglas en inglés), que evita la liberación de derivados de cloro en las corrientes de desechos o en la atmósfera. La degradación residual de la lignina con peróxido de hidrógeno se basa en la acción de los radicales producidos durante las transferencias de un solo electrón entre el peróxido de hidrógeno y los catalizadores o como resultado de la escisión térmica del enlace oxígeno-oxígeno. Se han hecho algunos enfoques para ensamblar la fabricación de pulpa de base orgánica con secuencias de blanqueo de TCF para desarrollar procesos de extracción de celulosa más ecológicos, sin embargo, hasta ahora, los investigadores han incluido el uso de productos químicos (ácido acético, HCl, antraquinona, metanol, entre otros.) que pueden encajar en los procesos de Organosolv (solvente orgánico) pero no en los procesos respetuosos con el medio ambiente. Por lo tanto, para obtener una pulpa de celulosa totalmente verde se considera cambiar los procesos de extracción de celulosa para evitar el uso de sustancias nocivas al ambiente y obtener de esta manera nanocelulosa amigable con el medio ambiente.
En México la producción de tequila y mezcal se ve incrementado por la demanda que existe a escala nacional e internacional de estas dos bebidas alcohólicas y en menos escala lo que es la producción de pulque; al obtener el tequila, mezcal y el pulque se generan ciertos residuos durante y después de la producción. Conforme lo registrado por el Consejo Regulador de Tequila (CRT) y el Consejo Regulador del Mezcal (CRM) en el 2018, la producción fue en total de 309,100,000 L de tequila y 5,100,000 L de mezcal; y debido a esto la demanda del cultivo de agaves se acrecentó, siendo de 1,138,800,000 ton de Agave tequilana var azul para producción de tequila y 76,500,000 ton de Agave spp. Basado en estos datos se estimó que la industria tequilera y mezcalera produjo aproximadamente 766,371,000 ton de bagazo, un residuo generado de la extracción del jugo de la piña del agave. Estas industrias tratan de reutilizar el bagazo producido para darle diversos usos como: materiales de construcción que pueden ser aglomerados, tejas, láminas, entre otros. También se ha realizado la incorporación del bagazo para elaborar cartón, papel, corcho, que les permita reutilizar el bagazo y evitar que se vaya a los basureros o que termine abandonado en los campos. Por otra parte, el pulque también es una bebida importante en México, sin embargo su consumo se limita a ser nacional; el Servicio de Información Agroalimentación y Pesquera (SIAP) reportó que en el 2018 la producción de pulque fue de 186,300,000 L en el país, para esta cantidad de producción se requiere de 9,315,000 kg de agave, lo que a su vez produce residuos que sólo son empleados como composta pero la mayoría son abandonados sin manejo alguno. 1 1.2. Justificación Uno de los materiales que ha tomado importancia en el último siglo es la nanocelulosa, debido a sus propiedades únicas puede ser capaz de remplazar a todos aquellos materiales que generan problemas actualmente, más aún es uno de los compuestos más abundantes de la superficie de la tierra, este material se puede extraer de todas las plantas siendo el agave y todas su morfología un buen candidato para la obtención de nanocelulosa; e incluso también su extracción es posible de animales y bacterias; debido a esto hace que su obtención sea más sencilla que el acero o algún otro metal. Al igual que otros materiales, la nanocelulosa necesita una serie de procesos para llegar a obtenerla de manera pura y con ello la obtención de otros compuestos que tienen un impacto ambiental. La eliminación de lignina contenida en las fibras lignocelulósicas es el primer paso en la obtención de celulosa y luego con ello obtener nanocelulosa. Industrialmente, la pulpa de celulosa se obtiene mediante dos etapas: pulpado y blanqueado. El método más comúnmente usado es el proceso Kraft, que proporciona altos rendimientos de pulpa, pero puede generar derivados de sulfuro que pueden estar vinculados a la celulosa y representar un problema ambiental durante la eliminación. En este sentido, en las últimas décadas han surgido procesos de fabricación de pasta respetuosos con el medio ambiente, como los métodos de Organosolv (OT). Además, el proceso de Organosolv es un método libre de azufre, basado en la extracción de lignina por su disolución en disolventes orgánicos a alta temperatura y presión, la baja viscosidad de los licores blancos de Organosolv favorece la penetración en las fibras, permitiendo que una alta cantidad de lignina sea fraccionada y de esta manera pueda ser disuelta. Además, después de la etapa de fabricación de pasta, el disolvente podría recuperarse por destilación. Después de la pulpa, parte de la lignina residual permanece en las fibras y generalmente se elimina en reacciones de blanqueo oxidativo. Durante muchos años, las principales reacciones de blanqueo han involucrado reactivos clorados ( ), pero hoy en día se evita el cloro en la mayoría de los tipos de pasta debido a sus efectos ambientales negativos. Las secuencias de blanqueo actuales incluyen el uso de dióxido de cloro en secuencias libres de cloro elemental (ECF). La otra familia de secuencias de blanqueo es el blanqueo sin cloro total (TCF, por sus siglas en inglés), que evita la liberación de derivados de cloro en las corrientes de desechos o en la atmósfera. La degradación residual de la lignina con peróxido de hidrógeno se basa en la acción de los radicales producidos durante las transferencias de un solo electrón entre el peróxido de hidrógeno y los catalizadores o como resultado de la escisión térmica del enlace oxígeno-oxígeno. Se han hecho algunos enfoques para ensamblar la fabricación de pulpa de base orgánica con secuencias de blanqueo de TCF para desarrollar procesos de extracción de celulosa más ecológicos, sin embargo, hasta ahora, los investigadores han incluido el uso de productos químicos (ácido acético, HCl, antraquinona, metanol, entre otros.) que pueden encajar en los procesos de Organosolv (solvente orgánico) pero no en los procesos respetuosos con el medio ambiente. Por lo tanto, para obtener una pulpa de celulosa totalmente verde se considera cambiar los procesos de extracción de celulosa para evitar el uso de sustancias nocivas al ambiente y obtener de esta manera nanocelulosa amigable con el medio ambiente.

In the recent years, significant interest on the production, characterization and application of cellulose nanofibers has brought out among scientific and technic authorities. This special attention mainly comes from their biodegradability, renewability and versatility, making them able to be used for several applications and fields. This topic outbreak took place about ten years ago, fact that is confirmed by the exponential increase on scientific publications and patents since then. In a nutshell, the present thesis aims to demonstrate that enzymatically hydrolyzed cellulose nanofibers can be successfully produced and used in several sectors. Their versatility, availability, low cost and low environmental impact justify the ongoing research in this field
En els darrers anys, entre la comunitat científica i tecnològica s’ha despertat un gran interès en la producció, caracterització i utilització de nanofibres de cel·lulosa. Aquesta especial atenció es deu, principalment, al seu caràcter biodegradable, el seu origen renovable i la versatilitat que presenten, fent-les aptes per ser utilitzades en multitud d’aplicacions. L’esclat d’aquesta temàtica de recerca va tenir lloc aproximadament deu anys enrere, doncs només cal observar el creixement exponencial de publicacions científiques i patents des d’aleshores. De manera general, la present tesi pretén demostrar que les nanofibres de cel·lulosa obtingudes mitjançant un pretractament d’hidròlisi enzimàtica poden ser produïdes de forma efectiva, de manera que pugin ser aplicades en una gran varietat de camps científics i tecnològics. La seva gran versatilitat, disponibilitat, baix cost i baix impacte mediambiental, justifiquen que en el futur es continuï amb la seva investigació sobre noves aplicacions

Durant les últimes dècades, biomaterials han adquirit un paper decisiu en l'àmbit de la salut, sobretot en el camp de la medicina regenerativa. La recerca en biomaterials engloba coneixements de diferents disciplines i es troba en constant evolució per tal de respondre a les necessitats de la medicina moderna mitjançant solucions personalitzades i bio-interactives. En aquest context, els materials d'origen biològic poden exercir tant de fonts d'inspiració com de punt de partida pel desenvolupament de biomaterials punters. Un bon exemple d'aquesta tendència es troba en la recent entrada al mercat d'apòsits per cicatritzar ferides fabricats a partir de nanocel·lulosa d'origen bacterià. Tot i aquest gran avenç, la nanocel·lulosa bacteriana encara té molt de potencial sense explotar en l'àmbit de la salut, ja que aquest polímer biològic (però d'origen no animal) presenta unes propietats molt atractives i infinites possibilitats de modificació. En la present tesi doctoral s'investiguen noves utilitats de la nanocel·lulosa bacteriana en l'àmbit de la salut. En paral·lel, s'aprofundeix en l'estudi de les interaccions entre aquest biomaterial emergent i diversos sistemes biològics. Inicialment, s'identifiquen diverses oportunitats d'aplicació mitjançant una recerca bibliogràfica i una ronda d'entrevistes amb professionals del sistema sanitari. D'entre totes les utilitats suggerides, se seleccionen aquelles que resulten més atractives per ser investigades de manera experimental. El primer ús que es planteja és l'explotació de la nanocel·lulosa bacteriana com a suport per al cultiu i manipulació de cèl·lules humanes. Per tant, la memòria incorpora un estudi exhaustiu sobre suports de nanocel·lulosa bacteriana, en la seva forma nativa o modificada amb nanopartícules, com a plataformes per al cultiu i criopreservació de cèl·lules humanes. Posteriorment, els suports de nanocel·lulosa són modificats amb proteïnes de la matriu extracel·lular per tal de ser utilitzats en el cultiu i transplantament de cèl·lules mare corneals, un tipus cel·lular amb alt potencial terapèutic en la regeneració de la superfície ocular. En segon lloc, s'explora l'aplicació d'hidrogels de nanocel·lulosa bacteriana com a apòsits per al tractament de ferides corneals tant des d'una perspectiva clínica com comercial. Cal destacar que aquesta investigació es desenvolupa en col·laboració amb oftalmòlegs de renom. Finalment, s'investiguen membranes de nanocel·lulosa bacteriana per a aplicacions de reforç de teixits interns en el context del tractament d'hèrnies abdominals. Aquest estudi empra un model animal per on es mostren resultats favorables pel que fa a la reducció d'una de les complicacions més habituals en el tractament d'hèrnies; les adhesions formades entre els implants i les vísceres. En resum, els resultats descrits reafirmen el gran potencial de la nanocel·lulosa bacteriana en l'àmbit de la salut i proposen noves vies d'investigació per expandir els usos d'aquest polímer en múltiples direccions. La tesi està presentada com a compendi d'articles acadèmics en els quals l'autora ha tingut un paper fonamental. Cada publicació s'acompanya d'una breu introducció i d'un comentari crític i, ocasionalment, de dades experimentals no publicades.
Durante las últimas décadas, los biomateriales han desempeñado un papel decisivo en el campo de la salud, especialmente en la medicina regenerativa. La investigación en biomateriales abarca conocimientos de diferentes disciplinas y está en constante evolución con el fin de responder a las necesidades de la medicina moderna a través de soluciones personalizadas y bio-interactivas. En este contexto, los materiales de origen biológico pueden actuar tanto como fuentes de inspiración como de punto de partida para el desarrollo de biomateriales innovadores. Un buen ejemplo de esta tendencia se observa en la reciente entrada en el mercado de apósitos para el tratamiento de heridas obtenidos a partir de nanocelulosa de origen bacteriano. A pesar de este gran avance, la nanocelulosa bacteriana todavía tiene mucho potencial sin explotar en el campo de la salud, ya que este polímero natural (pero de origen no animal) tiene propiedades muy atractivas e infinitas posibilidades de customización. En esta tesis doctoral, se investigan nuevas utilidades de la nanocelulosa bacteriana en el campo de la salud. Al mismo tiempo, se profundiza en el estudio de las interacciones entre este biomaterial emergente y diversos sistemas biológicos. Primeramente, se identifican varias oportunidades de aplicación a través de una exhaustiva búsqueda bibliográfica y una ronda de entrevistas con profesionales del sistema sanitario. Entre todas las utilidades sugeridas, aquellas que resultan más atractivas son investigadas experimentalmente a lo largo de la tesis. El primer uso que surgiere es la explotación de la nanocelulosa bacteriana como soporte para el cultivo y manipulación de células humanas. Por lo tanto, el manuscrito incorpora un estudio profundo sobre soportes de nanocelulosa bacteriana, tanto en su forma nativa como modificados con nanopartículas, como plataformas para el cultivo y crio-preservación de cultivos de células humanas. Posteriormente, los soportes de nanocelulosa se funcionalizan con proteínas de la matriz extracelular para facilitar el cultivo, mantenimiento y trasplante de células madre corneales, un tipo de celular con elevado potencial terapéutico en regeneración de superficie ocular. En segundo lugar, se explora la aplicación de hidrogeles de nanocelulosa microbiana como apósitos para el tratamiento de heridas corneales tanto desde una perspectiva clínica como comercial. Cabe señalar que esta investigación se desarrolla en colaboración con oftalmólogos de renombre. Por último, las membranas de nanocelulosa bacteriana se evalúan para aplicaciones de refuerzo de tejidos internos en el contexto del tratamiento de la hernia abdominal. Este estudio utiliza un modelo animal donde se muestran resultados favorables con respecto a la reducción de una de las complicaciones más comunes en el manejo de las hernias; as adhesiones formadas entre los implantes y las vísceras del paciente. En resumen, los resultados descritos reafirman el gran potencial de la nanocelulosa bacteriana en el campo de la salud y proponen nuevas vías de investigación para ampliar los usos de este biopolímero en múltiples especialidades. La tesis se presenta como un compendio de artículos académicos en los que la autora ha desempeñado un papel fundamental. Cada publicación está acompañada de una breve introducción y un comentario crítico y, ocasionalmente, datos experimentales no publicados.
The multidisciplinary field of biomaterials science incessantly innovates towards personalized and bio-interactive platforms to comply with the complex demands of modern medicine. To do so, biomaterial scientists turn to nature for inspiration as well as to profit from biofabricated structures. The recent launch of nanocellulose patches synthesized by bacterial cultures as wound dressings is illustrative of this renewed interest in naturally occurring polymers intended for medical use. Despite this breakthrough, the potential of bacterial nanocellulose in healthcare remains underexploited as this biological but animal-free polymer exhibits a unique combination of properties and almost unlimited design possibilities. In this dissertation, novel medical uses of bacterial nanocellulose are investigated. Moreover, I provide insight into the interactions between this emerging biomaterial and a series of biological systems. The starting point of the research has been a literature review and a series of interviews with healthcare professionals, which enabled us the identification of niche opportunities for bacterial nanocellulose. Some of the most appealing research directions have been addressed experimentally, constituting the main body of the work. First, the usage of bacterial nanocellulose films as vehicles for cell transplantation has been thoroughly addressed. Model cells served to prove the suitability of the supports to seed, expand, and manipulate cell cultures and to directly cryopreserve adherent cells. Then, the utility of bacterial nanocellulose membranes as cell carriers is extended to therapeutic cells specifically addressed to regenerate the ocular surface, i.e. limbal stem cells. In this case, the surface of the bacterial nanocellulose was coated with extracellular matrix proteins through a plasma-enabled method to enhance cell attachment. A second innovative use of bacterial nanocellulose in ophthalmology is established by proving the potential of this biopolymer as a corneal bandage to assist the healing of ocular surface lesions. This proof-of-concept has been performed in close cooperation with ophthalmologists and the properties of the proposed bandages are compared to the current gold standard for ocular surface healing (amniotic membrane). Lastly, bacterial nanocellulose patches are assessed as anti-adhesion barriers in the surgical management of hernias, seeking to mitigate the long-lasting challenge of adhesion-related post-operative complications. This study was performed in collaboration with a medical device manufacturer and evidenced enticing mechanical and anti-adhesion properties of bacterial nanocellulose in vivo. Altogether, the presented data reaffirms the potential of bacterial nanocellulose as a multi-purpose biomaterial and sets the basis to extend the applicability landscape of this emergent bio-based material in multiple directions. The doctoral thesis is presented as a compilation of peer-reviewed articles that the author has led.
The multidisciplinary field of biomaterials science incessantly innovates towards personalized and bio-interactive platforms to comply with the complex demands of modern medicine. To do so, biomaterial scientists turn to nature for inspiration as well as to profit from biofabricated structures. The recent launch of nanocellulose patches synthesized by bacterial cultures as wound dressings is illustrative of this renewed interest in naturally occurring polymers intended for medical use. Despite this breakthrough, the potential of bacterial nanocellulose in healthcare remains underexploited as this biological –but animal-free– polymer exhibits a unique combination of properties and almost unlimited design possibilities. In this dissertation, novel medical uses of bacterial nanocellulose are investigated. Moreover, I provide insight into the interactions between this emerging biomaterial and a series of biological systems. The starting point of the research has been a literature review and a series of interviews with healthcare professionals, which enabled us the identification of niche opportunities for bacterial nanocellulose. Some of the most appealing research directions have been addressed experimentally, constituting the main body of the work. First, the usage of bacterial nanocellulose films as vehicles for cell transplantation has been thoroughly addressed. Model cells served to prove the suitability of the supports to seed, expand, and manipulate cell cultures and to directly cryopreserve adherent cells. Then, the utility of bacterial nanocellulose membranes as cell carriers is extended to therapeutic cells specifically addressed to regenerate the ocular surface, i.e. limbal stem cells. In this case, the surface of the bacterial nanocellulose was coated with extracellular matrix proteins through a plasma-enabled method to enhance cell attachment. A second innovative use of bacterial nanocellulose in ophthalmology is established by proving the potential of this biopolymer as a corneal bandage to assist the healing of ocular surface lesions. This proof-of-concept has been performed in close cooperation with ophthalmologists and the properties of the proposed bandages are compared to the current gold standard for ocular surface healing (amniotic membrane). Lastly, bacterial nanocellulose patches are assessed as anti-adhesion barriers in the surgical management of hernias, seeking to mitigate the long-lasting challenge of adhesion-related post-operative complications. This study was performed in collaboration with a medical device manufacturer and evidenced enticing mechanical and anti-adhesion properties of bacterial nanocellulose in vivo. Altogether, the presented data reaffirms the potential of bacterial nanocellulose as a multi-purpose biomaterial and sets the basis to extend the applicability landscape of this emergent bio-based material in multiple directions. The doctoral thesis is presented as a compilation of peer-reviewed articles that the author has led.
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials

Coming from renewable and sustainable raw materials, nanocelluloses are rapidly emerging as one of the most promising future materials. Recently, the use of nanocellulose nanocomposites in flexible electrodes, biosensors or supercapacitors it is been studied. The main objective of this thesis is to produce conductive nanopapers from cellulose nanofibers (CNF) or bacterial cellulose (BC) and tree different conductive materials: polypyrrole (PPy), poly(3,4-ethylenedioxythiophene : polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). The structure and morphology of nanocomposites were studied, as well as their thermal, mechanical, and electrical conductivity properties. The results revealed the semiconductor or conductor character of the obtained nanocomposites, with specific capacitances up to 300 F g-1 for CNF-PPy and CNF-PEDOT:PSS-PPy nanocomposites. This work demonstrates the feasibility of using cellulose nanofibers in the field of green and flexible electronics, biosensors, and energy storage devices
Les nanofibres de cel·lulosa són un dels materials del futur, gràcies al seu origen natural i renovable, i per les seves propietats físico-químiques, i mecàniques. Recentment, s’està estudiant el seu ús en elèctrodes flexibles, biosensors o supercapacitants. L’objectiu central de la tesis és produir nanopapers conductors a partir de nanofibres de cel·lulosa (CNF) o de cel·lulosa bacteriana (BC), i tres tipus de càrrega conductora, el polipirrol (PPy), el poli(3-4-etilendioxitiofè):poliestirè sulfonat (POEDOT:PSS) i els nanotubs de carboni de paret múltiple (MWCNT). S’ha avaluat l’estructura i morfologia dels materials nanocompòsits, així com les seves propietats tèrmiques, mecàniques i elèctriques. Els resultats mostren el caràcter semiconductor o conductor dels nanocompòsits obtinguts, amb capacitàncies específiques de més de 300 F·g-1 per als nanocompòsits de CNF-PPy i CNF-PEDOT:PSS-PPy. Es demostra la viabilitat de l’ús de nanofibres de cel·lulosa per la fabricació de productes electrònics flexibles, biosensors, o com a dispositius d’emmagatzematge d’energia

As a renewable alternative to petroleum-based materials, wood or plant-based materials offer a greater prospect in the transition towards sustainable replacements. Native to wood, cellulose nanofibers (CNF) form the major load bearing component and possess tremendous potential as a reinforcement material in polymeric matrices. This study focuses on nanocellulose-based composites and aims to prepare and characterize bio-(nano)composites with high cellulose weight/volume fraction. The influence of nanoscale reinforcement or nanostructure on the macroscopic properties of the nanocomposites are investigated. Distinct prominence is given to the effect of nanocellulose dispersion and nanocellulose/polymer interface on the physical characteristics of biocomposites. In an initial study, effects of cellulose pulp fibers (micro scale dimensions) were investigated in pulp-fiber/polyamide 6 (PA6) composites system obtained by melt compounding and injection moulding. Strong influence on the pulp fiber reinforcement on the polymer matrix were observed with well dispersed pulp-fibers resulting in enhanced mechanical properties. Further, the effect of pulp fiber orientation within the composites was assessed and the composites with longitudinal fiber alignment recorded the highest mechanical properties. Regarding the investigation of PA6 and cellulose nanofibers, two different approaches were used to process the nanocomposites. Firstly, solvent casting-based approach, where CNF derived from enzymatic pretreatment were used to produce high content of CNF biocomposites by adopting a green solvent mixture to disperse the CNF and then impregnated by the dissolved polymer. Nanocomposite formulations up to 50 wt% of CNF were prepared and characterized. Unique characteristics due to the nanostructure of composites are discussed corresponding to CNF dispersion, CNF network, and CNF/matrix interface. In addition, a comparison between the reinforcement effect of pulp-fiber and CNF are discussed to emphasize the importance of nano-scale reinforcement and their contribution in enhancing the physical properties of thermoplastic-matrix composites. Subsequently, melt processing approach with a high speed thermo-kinetic mixer was used to prepare PA6/CNF nanocomposites with up to 25 wt% formulations. This study focused on the industrial scalability and provided a methodology to produce high cellulose content CNF-nanocomposites at a commercial spectrum. Mechanical properties were characterized at different relative humidity and the investigation revealed good hygro-mechanical properties. All in all, the current nanocomposites exhibited excellent dispersion without major agglomerations and the mechanical properties were significantly enhanced with the addition of CNF in both the approaches. Nanocomposites from polyamide-6 and high content of cellulose nanofibers were successfully prepared in this work, with remarkable improvement in the mechanical performance compared to the neat matrix, for both Young’s modulus and tensile strength. This in itself is an outstanding achievement, as compared to the literature up today. Moreover, the used methodology stands for industrial scalability and feasible processes towards the use of renewable and more sustainable products
Els materials procedents de plantes i arbres representen una alternativa renovable als materials procedents del petroli, en la transició cap a la producció de materials més sostenibles. Les nanofibres de cel·lulosa (CNF) procedents de la fusta són el principal component de càrrega i tenen un gran potencial com a material de reforç de matrius polimèriques. El present estudi es focalitza en la preparació i caracterització de bio-nano-compòsits amb un alt contingut en nanofibres de cel·lulosa (CNF). En concret, s’investiga la influència de la nanoestructura o del nano-reforç en les propietats macroscòpiques del nanocompòsit. L’efecte del grau de dispersió i de la interface nanocel·lulosa/polímer són factors claus sobre les propietats físiques dels nanocompòsits. En la primera part del treball, s’ha investigat l’efecte de fibres de cel·lulosa (de dimensions micro) com a reforç en materials compòsits de poliamida-6 (PA6)/cel·lulosa, obtinguts per un procés de barreja (melt-compounding) i posterior moldeig per injecció. S’ha observat una marcada influència de la pasta de cel·lulosa a l’hora d’actuar com a reforç de la matriu polimèirca, presentant una bona dispersió de les fibres, i conseqüentment es van obtenir molt bones propietats mecàniques. També s’ha investigat la influència del grau d’orientatió de les fibres dins dels compòsits, obtenint-se millors propietats quan les fibres estaven alineades longitudinalment en la direcció de l’assaig mecànic, Pel que fa al reforç de la matriu de PA6 amb nanofibres de cel·lulosa, s’han estudiat dos tipus diferents procediments per a processar els nanocompòsits de PA6/CNF. Per un costat es va fer servir el mètode solvent-càsting. En aquest cas, les CNF derivades d'un pretractament enzimàtic, es van dispersar i impregnar amb el polímer dissolt en una barreja de solvents “verds”. Es van produir biocompòsits amb un alt contingut de CNF, de fins al 50% en pes. Les elevades propietats dels materials es van justificar en base a la bona dispersió de les CNF, la mateixa xarxa de CNF en sí, i la interfase CNF/matriu. A més, una comparació entre l'efecte del reforç de polpa de fibres i reforç de CNF va emfatitzar la importància dels reforços nanométricos i la seva contribució en la millora de les propietats físiques dels compósits de matriu termoplàstica. Per altra banada es va fer utilitzar un procés de barreja tèrmica amb un mesclador termo-cinètic d'alta velocitat per a preparar els nanocompósits de PA6/CNF amb formulacions de fins a un 25 wt%. Aquest estudi se centra en l'escalat industrial i en proveir una metodologia per a produir nanocompósits de CNF amb un elevat contingut de cel·lulosa a nivell comercial. Les propietats mecàniques es van avaluar a diferents valors humitats relatives i es van obtenir molt bones propietats higromecàniques. En tots els casos, els materials nanocompósits presentaven una bona dispersió sense grans aglomeracions i les propietats mecàniques van millorar significativament amb l'addició de CNF en tots dos mètodes
Programa de Doctorat en Tecnologia

This diploma thesis focuses on understanding the nanocellulose and production routes of this nano-scale cellulosic material. In the literature review, there is an overview of different production routes including pretreatment and treatment processes of biomass fibers and list of main global producers of nanocellulose currently available on the market. The practical part includes collected cost inputs for four different production scenarios which are: (1) enzymatic pretreatment with microfluidization treatment, (2) carboxymethylation pretreatment with microfluidization treatment, (3) enzymatic pretreatment with high-pressure homogenization treatment and (4) carboxymethylation pretreatment with high-pressure homogenization treatment. Costs of these four production routes are compared for three locations in the Czech Republic and contrasted with the cost of purchase of nanocellulose from abroad.

Najistotniejszą wadą dotychczas konstruowanych enzymatycznych ogniw paliwowych jest niska gęstość i stabilność uzyskiwanej mocy w czasie. Rozwiązaniem tego problemu może być zwiększenie zakresu stosowalnych paliw oraz umożliwienie gromadzenia wytworzonej energii, a następnie uwalnanie w okresie szczególnego zapotrzebowania. Celem pracy doktorskiej była konstrukcja i zbadanie właściwości tzw. biosuperkondensatora: elektrochemicznego źródła energii łączącego cechy enzymatycznego ogniwa paliwowego oraz superkondensatora. Dzięki modyfikacji anody klastrem wieloenzymatycznym, urządzenie było zdolne do produkcji energii w roztworach zawierających glukozę, fruktozę, sacharozę lub ich mieszaninę. Stosowany klaster enymatyczny składał się z czterech enzymów: mutarotazy, inwertazy, dehydrogenazy D-fruktozowej oraz FAD-zależnej dehydrogenazy D-glukozowej. Jako katalizator reakcji katodowej – czteroelektronowej redukcji tlenu – zastosowano lakazę. Elementem zdolnym do akumulacji wytworzonego ładunku elektrycznego był materiał elektrodowy, na którym unieruchamiano enzymy – kompozytowy papier nanocelulozowo-polipirolowy. Nanoceluloza, izolowana z glonów Cladophorae sp. dzięki specyficznym właściwościom – nanometrycznej średnicy włókien, odporności mechanicznej i elastyczności stanowi rusztowanie do osadzania pseudopojemnościowego polimeru przewodzącego. Wyniki podjętych badań podstawowych ze stosowanymi oksydoreduktazami pokazują, że dzięki zastosowaniu w filmie elektrodowym pochodnej naftochinonu, stanowiącego mediator w reakcji przeniesienia ładunku dla enzymów anodowych, możliwe jest znaczne obniżenie nadpotencjału reakcji utleniania cukrów oraz zwiększenie stałej szybkości reakcji. Ten sam związek, będąc pochodną związków fenolowych, rozpoznawany przez centrum aktywne lakazy, doskonale sprawdza się jako czynnik orientujący białka wielomiedziowe, poprawiając znacznie kinetykę bezpośredniego przeniesienia ładunku między elektrodą, a katalizatorem redukcji tlenu. Pochodna naftochinonu została wprowadzona do warstwy modyfikującej elektrodę poprzez unieruchomienie odpowiednio zmodyfikowanych nanocząstek złota. Wynikiem połączenia korzystnych właściwości katalitycznych i pojemnościowych jest urządzenie zdolne do wytwarzania gęstości mocy ok 1 mW cm-2 w roztworze sacharozy, o maksymalnej pojemności specyficznej 1.8 F cm-2. Wykazano również, że stosowanie urządzenia w trybie pulsacyjnym umożliwia znaczne wydłużenie czasu pracy elementów bioelektrokatalitycznych zaprojektowanego urządzenia.

Los residuos generados a partir de la siembra de piña en Costa Rica, se consideran un problema, debido a su lenta degradación y la utilización de agroquímicos para desecarla en campo. A partir de esta biomasa fue posible extraer tanto nanofibras de celulosa (NFC) como nanocristales (NCC). La NFC se obtuvo por medio de una oxidación mediada por TEMPO y posterior homogeneización mecánica, mientras que los NCC se obtuvieron aplicando una hidrolisis ácida con H2SO4. Se lograron evaluar las propiedades térmicas y morfológicas de ambas nanoestructuras, con el fin de proponer ideas para futuras aplicaciones y de esta forma dar un valor agregado a esta biomasa, que se considera un residuo.