CONSORTIU:

Obiectiv General

Proiectul ECONANO4AUTO își propune dezvoltarea unei tehnologii noi și inovatoare pentru obținerea de noi nanomocompozite polimerice pe baza de bio-PA și hibrid keratină/ nanoparticule, ușoare și cu proprietăți termice și mecanice îmbunătățite. Pornind de la bio-PA10,10 de înaltă performanță și deșeuri naturale (pene de pui), proiectul va oferi la final o soluție ecologică, viabilă şi cu costuri reduse pentru utilizarea eficientă a penelor de pui și reducerea impactului asupra poluării mediului.

Etapa I

Dezvoltarea modelului experimental de obținere şi caracterizare a nanocompozitelor pe bază de bio-PA şi bio-umpluturi

Perioada de implementare: 29/06/2022 – 30/12/2022

Activități:

• Analiza reducerii impactului asupra poluării mediului prin utilizarea deșeurilor de pene pentru obținerea de nanocompozite pe bază de bio-PA noi și de înaltă performanță;
• Analiza riscului utilizării nanoparticulelor și a metodelor de lucru pentru atenuarea impactului asupra siguranței și sănătății;
• Teste preliminare pentru obținerea hibrizilor keratină/nanoparticule;
• Studii toxicologice privind efectul nanoparticulelor, cum ar fi nanosilicații și nanosilicea, asupra liniilor celulare epidermice;
• Diseminarea rezultatelor pe scară largă prin comunicarea şi publicarea națională sau internațională.

Sumar al progresului

Cercetările efectuate în cadrul etapei I au condus la realizarea unui studiu tehnico-ştiințific privind obţinerea nanocompozitelor cu proprietăți ȋmbunătățite pe bază de bio-PA şi (nano)umpluturi naturale. S-a analizat reducerea impactului asupra poluării mediului prin utilizarea deșeurilor de pene, precum şi riscul utilizării nanoparticulelor și a metodelor de lucru pentru atenuarea impactului asupra siguranței și sănătății. Au fost elaborate conceptele si strategia de lucru privind obținerea de hibrizi keratină/nanoparticule, s-au stabilit metodele de caracterizare, s-a pregătit baza materială şi s-a elaborat modelul experimental de obținere a keratinei din pene de pui și a hibrizilor keratină/nanoparticule. A fost acceptat la evaluare 1 articol trimis spre publicare ȋntr-o revistă ISI şi s-a participat cu 4 lucrări prezentate oral sau sub formă de poster la conferințe naționale/internaționale.

Rezumat executiv

Principala problemă a keratinei, ca de altfel a majorităţii umpluturilor naturale, este stabilitatea termică slabă la temperatura de prelucrare a PA. Obținerea unui hibrid keratină/nanoparticule va contribui la creșterea stabilității termice şi a rezistenței mecanice a keratinei.

Cercetările efectuate ȋn cadrul etapei I au condus la elaborarea modelului experimental de obținere a keratinei din pene şi a hibridului keratină/Halloysite. Keratina a fost extrasă prin hidroliză la temperaturi ridicate (150°C şi 200°C) şi hiodroliză alcalină cu Na₂S şi NaOH. Testele preliminare efectuate au demonstrat că, keratinele obținute hidrotermal şi alcalin cu NaOH se caracterizează prin prezența a 2 structuri secundare, α-helix, minoritară şi β-foaie pliată, majoritară, ȋn timp ce keratina obținută cu Na₂S prezintă majoritar structura β-foaie pliată. Hibridele keratină/Halloysite, cu stabilitate termică mult ȋmbunătățită față de keratină, s-au obținut atât la pH acid, cât şi la pH bazic. Lucrările vor continua cu ȋncercarea şi a altor metode de extracție a keratinei (de ex. cu lichide ionice) şi vor fi stabilite condițiile optime de obținere a unei interacții puternice la interfața keratină-nanoparticule pentru dispersia uniformă ȋn matricea de bio-PA.

Nanoparticulele de tip silice sau silicați sunt recunoscute în literatura de specialitate ca având citotoxicitate redusă. După determinarea caracteristicilor morfostructurale ale nanomaterialelor de tip Halloysite și Aerosil, acestea au fost testate pe linii celulare umane de tip keratinocite. Acest tip de celule au fost alese pentru că reprezintă un organ cu o intindere foarte mare (pielea), iar dacă ar fi ca aceste nanomateriale să aibă citotoxicitate la acest nivel, atunci este posibil să poată afecta și straturile mai profunde. Din analizele efectuate (biochimice și de morfologie) a reieșit că nanomaterialele utilizate nu prezintă o amenințare pentru linia celulară de tip keratinocite. Însă, în etapele următoare se vor investiga efectele și asupra altor tipuri de celule epiteliale, pentru a determina ce se poate întâmpla dacă nanomaterialele sunt inhalate și ajung în interiorul organismului.

Etapa II

Realizarea, experimentarea şi optimizarea modelului experimental de obținere şi caracterizare a nanocompozitelor pe bază de bio-PA şi bio-umpluturi

Perioada de implementare: 03/01/2023 – 29/12/2023

Activități:

• Teste finale pentru obținerea hibrizilor keratină/nanoparticule;
• Studii toxicologice privind efectul nanoparticulelor, cum ar fi nanosilicații și nanosilicea, asupra liniilor celulare pulmonare;
• Obținerea de mostre de nanocompozite pe bază de bio-PA și hibrizi keratina/nanoparticule;
• Caracterizarea morfostructurală a nanocompozitelor obținute;
• Experimentări pentru verificarea reproductibilității tehnologiei de obținere a nanocompozitelor pe bază de bio-PA și bio-filler și selectarea variantei optime;
• Evaluarea efectelor antimicrobiene ale nanoparticulelor asupra diferitelor tulpini bacteriene;
• Diseminarea rezultatelor pe scară largă prin comunicarea şi publicarea națională sau internațională.

Sumar al progresului

Cercetările efectuate în cadrul etapei II au condus la dezvoltarea şi experimentarea modelului experimental de obținere a (i) cheratinei, a (ii) hibrizilor

cheratină/nanoparticule şi a nanocompozitelor pe bază de bio-PA şi hibrizi cheratină/nanoparticule. S-au obținut mostre de nanocompozite pe bază de bio-PA şi hibrizi cheratină/nanoparticule, ȋn condiții dinamice, prin prelucrare în topitură şi s-a elaborat tehnologia de laborator pentru obținerea de nanocompozite pe bază de bio-PA și hibrizi cheratină/nanoparticule. S-au efectuat experimentări de optimizare a tehnologiei elaborate şi de verificare a reproductibilității acesteia şi s-au stabilit condițiile optime de ridicare la scară şi de obținere a unor nanocompozite pe bază de bio-PA și hibrizi cheratină/nanoparticule cu proprietăți reproductibile şi ȋmbunătățite față de bio-PA. S-a elaborat un ghid metodologic privind prevenirea riscurilor legate de lucrul cu nanoparticule. A fost publicat 1 articol ȋntr-o revistă ISI, s-a depus la OSIM 1 cerere de brevet de invenție, s-a participat cu 7 lucrări prezentate oral sau sub formă de poster la saloane internaționale de invenție şi inovație şi la conferințe naționale/internaționale şi s-a organizat 1 workshop pentru diseminarea rezultatelor proiectului.

Rezumat executiv

In cadrul acestei etape s-a dezvoltat şi experimentat modelul experimental de obținere a cheratinei şi a hibrizilor cheratină/nanoparticule. Au fost efectuate experimentări de extracţie a cheratinei din penele de pui şi s-a verificat reproductibilitatea extracţiei cheratinei prin metoda hidrotermală şi metoda alcalină. Totodată, s-a ȋncercat extracţia cheratinei prin dizolvare in lichid ionic. Cheratina hidrolizată, obținută fie prin hidroliză termică ȋn două trepte, 1 oră la 150 °C şi 1 oră la 200 °C, fie prin hidroliză alcalină ȋn soluție de sulfură de sodiu 0,5M, 2 ore, la temperatura de 50 °C, fie enzimatică ȋn combinație cu hidroliza alcalină, este sub formă de pulbere cristalină de culoare albă-bej ȋnchis. S-a verificat reproductibilitatea rezultatelor privind obținerea ȋn soluție a hibridului cheratină:HNT şi s-a ȋncercat obținerea hibridului simultan cu extracția cheratinei, precum şi ȋn condiții dinamice. S-au obținut hibride sub formă de pulbere, cu stabilitate termică mult ȋmbunătățită față de cheratină. A fost realizat și testat modelul experimental de obținere a mostrelor de nanocompozite pe bază de bio-PA şi hibrizi cheratină/nanoparticule, ȋn condiții dinamice, prin prelucrare în topitură. S-au efectuat teste de îmbunătățire a dispersiei hibrizilor cheratină/nanoparticule, prin utilizarea unor agenţi de dispersie/compatibilizare, s-au analizat proprietățile termice, mecanice și morfologice ale nanocompozitelor obținute, s-a selectat compoziția optimă și s-a elaborat tehnologia de laborator pentru obținerea de nanocompozite pe bază de bio-PA și hibrizi cheratină/nanoparticule. S-a ridicat la scară compoziția selectată şi s-a optimizat tehnologia de obținere folosind metoda de lucru cu concentrat. S-au obținut nanocompozite, cu un conţinut de cheratină de cca 5%, cu proprietăți estetice, termice şi mecanice îmbunătățite față de bio-PA.

Pentru a ȋnțelege care sunt riscurile lucrului cu nanoparticule s-a studiat efectul Halloysite şi Aerosil asupra liniilor celulare pulmonare. Având structuri diferite, nanoparticulele interacționează cu celulele umane normale sau canceroase, diferit. Astfel, nanoparticulele cu formă poligonală-sferică prezintă o suprafață de interacțiune mai mare comparativ cu nanotuburile. Concentrația la care celulele testate în această etapă au fost afectate, a fost mai mare la Aerosil, față de Halloysite, ceea ce reprezintă rezistența celulelor la o cantitate mai mare de nanoparticule de tip Aerosil comparativ cu Halloysite. Analizele biochimice au arătat că la nivel de stres oxidativ, celulele nu sunt afectate. Așadar, dacă nanomaterialele pătrund în celule este posibil ca efectul lor să nu creeze daune și în timp să fie eliminate. Teste suplimentare sunt necesare pentru înțelegerea deplină a efectelor produse la

nivel celular și ultrastructural. S-a elaborat un ghid metodologic privind prevenirea riscurilor legate de lucrul cu nanoparticule în laboratorul de culturi celulare/microbiologie.

Etapa III

Demonstrarea funcționalității și utilității modelului propus pentru obținerea și caracterizarea nanocompozitelor pe bază de bio-PA și bio-umplutură

Perioada de implementare: 03/01/2024 – 21/06/2024

Activități:

• Demonstrarea la nivel de laborator a funcționalitatii şi utilității modelului experimental propus;
• Diseminarea rezultatelor pe scară largă prin comunicarea şi publicarea națională sau internațională.

Sumar al progresului

Cercetările efectuate în cadrul etapei III s-au finalizat cu demonstrarea la nivel de laborator a funcționalității şi utilității modelului experimental propus. S-a obținut lotul experimental prototip de granule de nanocompozit pe bază de bio-PA și nanohibrid cheratină/Halloysite ȋn cantități mai mari (aprox. 5 kg) şi s-au obţinut ȋn condiții de laborator piese injectate, utilizate ca demonstrator al funcţionalităţii şi utilităţii modelului experimental propus la obţinerea de piese injectate. S-au trimis spre publicare 2 articole ȋn

reviste ISI şi s-a participat cu 5 lucrări prezentate oral sau sub formă de poster la conferințe internaționale/salon internațional de invenții şi inovații.

Rezumat executiv

In cadrul acestei etape s-a experimentat ridicarea la scară şi verificarea reproductibilității tehnologiei optimizate pentru obținerea unui lot experimental prototip de 5 kg constituit din granule de nanocompozit pe bază de bio-PA și nanohibrid cheratină/Halloysite. Astfel, prin prelucrarea în topitură într-un extruder dublu șnec, echisens și folosind metoda cu concentrat s-a obținut nanocompozitul pe bază de bio-PA, care, la un conţinut de cheratină de cca 5 %, prezintă o stabilitate termică similară PA la temperatura de prelucrare a acesteia (210-230 °C), rigiditate ȋmbunătățită cu 75 %, fără afectarea rezistenței la tracțiune şi la soc şi rezistență la zgȃriere ȋmbunătățită. Această ȋmbunătățire a proprietăților se explică prin dispersia uniformă a nanohibridului ȋn matricea de bio-PA, ca urmare a lucrului cu concentrat. Prin analize morfostructurale s-a dovedit creşterea gradului de adeziune la interfața dintre PA şi agentul de ranforsare, ceea ce s-a reflectat ȋn creşterea cristalinității PA şi a dimensiunii cristalitelor de forma alfa şi mai departe, ȋn ȋmbunătățirea rezistenței mecanice a nanocompozitului. Aceste proprietăți ȋmbunătățite recomandă nanocompozitul pe bază de bio-PA pentru utilizări ȋn industria auto fiind ȋn concordanță cu solicitările specifice domeniului de aplicație. Pentru controlul calității noului nanocompozit s-a propus o Fisă tehnică de produs ȋn care au fost cuprinse proprietățile specifice utilizării ȋn domeniul auto. Din granulele de nanocompozit obținut s-au injectat ȋn condiții de laborator piese cu diferite geometrii, colorate ȋn masă şi cu inserții metalice. Piesele rezultate, folosite ca demonstrator, au fost conforme, uniform colorate, fără bavuri sau contracții si cu aspect

corespunzător al suprafeței. S-a demonstrat astfel funcţionalitatea şi utilitatea modelului experimental propus la obţinerea de piese injectate şi s-a validat tehnologia.

Prezentarea succintă a rezultatelor obținute în cadrul proiectului „Nanocompozite ecologice pe bază de bio-PA și bio-umpluturi pentru piese auto injectate” – ECONANO4AUTO

Prin implementarea proiectului ECONANO4AUTO s-a elaborat si validat la nivel de laborator o tehnologie nouă, inovativă, care

permite obținerea unui nou material nanocompozit pe bază de bio-PA ranforsată cu nanohibrid cheratină hidrolizată din pene de pui/nanoparticule naturale, cu proprietăți termice şi mecanice îmbunătățite, prelucrabil ȋn piese injectate, ușoare, cu proprietăți estetice şi performanțe mecanice ridicate, durabile, reciclabile și reutilizabile