Mechanochemically cationized cellulose nanofibers for binding and inactivation of virus particles

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-10-10
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
CHEM3022
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
43+7
Series
Abstract
Cellulose is the most abundant polysaccharide found in the nature. It plays a significant role in plant and bacterial cell wall structures, and is an im- portant tool in various industrial fields, such as nanotechnology, pharma- ceutics, textiles, and cosmetics. Surface modifications are usually necessary to enhance the processability and compatibility of cellulose. Such modifica- tions can be used to lower the surface energy of cellulose, increase hydro- phobicity, or boost the compatibility between nanocomposites. One of many cellulose based derivatives include cationic cellulose, which can be used to produce antimicrobial materials to tackle the public health issues caused by resistant bacteria and viruses. The work done in this thesis proposes a new mechanochemically induced reaction to create surface cationized cellulose fibers with minimal costs and fast pace. A Whatman 1 cellulose filter paper was used as a starting material and 2,3-epoxypropyl trimethyl ammonium chloride was used as the cation- izing agent. Several different reaction conditions were tested, and the reac- tion was induced using a ball mill. The modified fibers were characterized using methods such as Fourier-transform infrared spectroscopy, nuclear magnetic resonance spectroscopy, scanning electron microscopy, and most importantly elemental analysis. Degree of substitution values in the range of 0.003-0.200 were reached and the fibers with the best values were used to test the binding of viruses in a liquid dispersion. The binding between the modified fibers and the viruses was analyzed using qualitative methods, such as agarose gel images. The practical applicability of the binding was also tested using a sedimentation assay and the binding seemed to be extremely successful.

Selluloosa on luonnossa runsaimmin esiintyvä polysakkaridi. Sillä on tärkeä rooli kasvien ja bakteerien soluseinän rakenteessa, lisäksi se on tärkeä työ- kalu monilla teollisuuden aloilla, kuten nanoteknologiassa, lääketieteessä, tekstiileissä ja kosmetiikassa. Pintamuunnokset ovat usein tarpeellisia sel- luloosan prosessoitavuuden, sekä yhteensopivuuden parantamiseksi. Kysei- siä muunnoksia voidaan tehdä selluloosan pintaenergian pienentämiseksi, hydrofobisuuden lisäämiseksi tai paremman sopivuuden saavuttamiseksi nanokomposiittien välillä. Yksi monista selluloosan johdannaisista on katio- nisoitu selluloosa, jota voidaan käyttää antimikrobiaalisten materiaalien tuotannossa virusten ja resistanssin kehittäneiden bakteerien aiheuttamien terveysriskien ehkäisemiseksi. Tämän työn tarkoituksena on suunnitella uusi mekanokemiallisesti akti- voitu reaktio pintakationisoitujen selluloosakuitujen tuottamiseksi nopeasti minimaalisin kustannuksin. Whatman 1 selluloosa suodatinpaperia käytet- tiin lähtöaineena ja 2,3-epoksipropyyli trimetyyli ammonium kloridia katio- nisoivana aineena. Useita reaktio-olosuhteita testattiin ja reaktiot käynnis- tettiin kuulamyllyä käyttäen. Muokatut kuidut karakterisoitiin metodeilla, kuten Fourier-muunnos infrapunaspektroskopialla, ydinmagneettisella reso- nanssispektroskopialla, pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja alkuaineana- lyysillä. Substituutioasteet välillä 0.003–0.200 saavutettiin ja parhaat arvot saaneilla kuiduilla testattiin virusten sitomista nestedispersiossa. Sitoutu- minen muokattujen kuitujen ja virusten välillä analysoitiin kvalitatiivisin metodein, kuten agaroosi geeleillä. Sitoutumisen käytännöllistä soveltu- vuutta testattiin myös sakkautuskokeella ja sitoutuminen todettiin erittäin onnistuneeksi.
Description
Supervisor
Kostiainen, Mauri
Thesis advisor
Kaabel, Sandra
Anaya Plaza, Eduardo
Keywords
cellulose, surface modification, mechanochemistry, virus binding, degree of substitution
Other note
Citation