SEAC- artigo - Hidrofobização da Nanocelulose Bacteriana

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Hidrofobização da Nanocelulose Bacteriana por 
Deposição de Carbono Amorfo Assistida por Plasma 
Everton Diniz dos Santos1, Rogerio Pinto Mota2; Mauro Fernando Ornellas de Mello Filho3, 
Elisa Esposito4; Rafael Resende Lucas5 
1 everton.diniz@unesp.br, Autor, Doutorado em Engenharia Biomédica – UNESP 
2 rogerio.mota@unesp.br ,Doutorado em Engaria de Materiais - UNESP 
3mauro.filho@aedb.br, Autor, Especialista em Administração de Projetos - AEDB 
4eesposito@unifesp.br, Autor, Doutorado em Engenharia Química - UNIFESP 
5rr.lucas@unesp.br, Autor, Doutorado em Engenharia de Materiais - UNESP 
 
 
RESUMO 
A nanocelulose bacteriana (BNC), produzida a partir da fermentação do chá Kombucha, 
apresenta alta resistência mecânica, biocompatibilidade e renovabilidade, mas é hidrofílica, 
o que limita seu uso em barreiras e eletrônicos flexíveis (Samyn et al., 2023). Neste trabalho, 
demonstra-se uma rota escalável e livre de solventes para tornar a BNC obtida de SCOBY 
hidrofóbica por deposição de camadas ultrafinas de carbono tipo diamante (DLC) via plasma 
de baixa pressão em ar ambiente (Shah et al., 2024; Bueno et al., 2018). Membranas (2×2 cm, 
0,5 mm) foram expostas a plasma pulsado de 540 V e 60 Hz por 30, 60 ou 90 minutos; amostras 
não tratadas serviram de controle. A evolução físico-química foi acompanhada por ATR-FTIR, 
goniometria de ângulo de contato, espectroscopia Raman e microscopia eletrônica de varredura 
(SEM). Resultados demonstram que 90 min de exposição geram membranas flexíveis e 
superhidrofóbicas, sem uso de precursores tóxicos. O procedimento viabiliza a conversão 
sustentável da nanocelulose do kombucha em material de alto valor para barreiras respiráveis, 
eletrônicos vestíveis e interfaces biofuncionais (da Silva et al., 2024). 
Palavras-chaves: Nanocelulose Bacteriana. Plasma de baixa pressão. DLC. Hidrofobicidade. 
Modificação da superfície. FTIR. 
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Introdução 
A nanocelulose bacteriana (BNC), produzida por bactérias do gênero Komagataeibacter 
presentes no SCOBY do chá kombucha, destaca-se por sua estrutura reticulada, elevada 
resistência mecânica, pureza e compatibilidade biológica (Samyn et al., 2023; Udikovic-Kolic 
& Milicevic, 2021). Seu uso como alternativa sustentável ao couro e em dispositivos médicos 
cresce significativamente (da Silva et al., 2024; Fahma et al., 2021). 
Apesar de suas qualidades, a BNC nativa é fortemente hidrofílica devido à sua grande 
quantidade de grupos hidroxila expostos, o que limita seu potencial em aplicações de barreira 
a líquidos e eletrônicos flexíveis (Udikovic-Kolic & Milicevic, 2021). Para ampliar seu escopo, 
modificações químicas e físicas têm sido alvo de investigações, com destaque para técnicas de 
deposição de filmes, como as baseadas em plasma (Shah et al., 2024). 
Entre essas, a aplicação de DLC (diamond-like carbon) por plasma de baixa pressão é 
promissora, permitindo modificação controlada da superfície sem uso de solventes agressivos 
e promovendo a incorporação de elementos como silício oriundo do aparato experimental, o 
que pode melhorar a adesão do filme (Bueno et al., 2018; Mandracci & Rivolo, 2023). 
Este estudo apresenta um método escalável e sustentável de funcionalização da BNC 
via plasma de baixa pressão e avalia sua eficácia sob perspectiva estrutural, superficial e 
morfológica, propondo aplicações em barreiras, eletrônicos e biointerfaces (da Silva et al., 
2024). 
 
Metodologia 
As membranas de BNC (2×2 cm, 0,5 mm), obtidas do SCOBY cultivado em chá 
kombucha, foram expostas a plasma pulsado DC (540 V, 60 Hz, ~10 mbar) em câmara de 
alumínio anodizado, selada com vidro temperado e gaxetas de silicone (Mandracci & Rivolo, 
2023). O plasma foi gerado utilizando o ar ambiente como gás de processo. Amostras controle 
não tratadas foram analisadas em paralelo. 
Os tempos de exposição avaliados foram de 30, 60 e 90 minutos, cada um em triplicata 
(n=3) (Bueno et al., 2018). 
As alterações químicas superficiais foram examinadas por FTIR-ATR, faixa 4000–650 
cm⁻¹, 32 scans por amostra. As variações das principais bandas vibracionais (∼3300, ∼2900, 
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∼1720, ∼1050, ∼850 cm⁻¹) receberam análise estatística (Cichosz et al., 2022; Hospodarova et 
al., 2018). 
A hidrofobicidade foi quantificada por medida do ângulo de contato (goniometria), 
usando gotas de 5 μL de água destilada em superfície plana. As micrografias foram obtidas por 
SEM (análise morfológica), e a caracterização da camada DLC por espectroscopia Raman na 
região 1300–1600 cm⁻¹, com deconvolução das bandas D e G (Tanaka & Mutsukura, 1999; 
Wang et al., 2023). 
A FTIR-ATR revelou redução das bandas atribuídas aos grupos hidroxila (~3300 cm⁻¹) 
e ao C–H (~2900 cm⁻¹), enquanto surgiu uma nova banda ∼1720 cm⁻¹ associada a carbonilas, 
indicando desidratação e oxidação superficial progressivas (Cichosz et al., 2022; Hospodarova 
et al., 2018) – Figura 1. 
Figura 1 – Aspecto visual do cátodo de aço inoxidável e das amostras de nanocelulose bacteriana derivada de 
kombucha antes e após tratamento por plasma. 
À esquerda, imagens macroscópicas das amostras de nanocelulose bacteriana: 
(0) Controle (0 min); 
30 min de plasma; 
60 min de plasma; 
90 min de plasma. 
Painel A: Cátodo limpo antes do tratamento (seta preta). 
Painel B: Cátodo após 90 minutos de plasma, evidenciando: região escurecida sugestiva de filme carbonoso 
(seta azul), área iridescente compatível com filme fino de óxidos de silício – SiOx (seta verde) e zona sem 
revestimento (seta vermelha), correspondente à posição da amostra de nanocelulose durante o tratamento. 
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Fonte: Elaborado pelos autores 
 
Já a região ∼1050 cm⁻¹ exibiu alteração de formato e intensidade, sugerindo 
sobreposição entre vibrações da celulose e depósitos de Si–O–Si, compatíveis com aporte de 
silício a partir da câmara (Mandracci & Rivolo, 2023). 
A medida do ângulo de contato demonstrou aumento significativo: o controle (0 min) 
possuía 46,3°, passando a 54,6° (30 min), 101,1° (60 min) e atingindo completa 
superhidrofobicidade (acima de 150°, não mensurável) em 90 min, com a gota de água 
totalmente repelida – Figura 2. 
 
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Figura 2 – Espectros de FTIR da celulose antes do tratamento a plasma (Grupo controle). 
Fonte: Elaborado pelos autores 
 
Tal comportamento decorre da deposição do filme DLC e redução drástica da energia 
superficial (Shah et al., 2024; Bueno et al., 2018). 
As micrografias por SEM mostraram a evolução da morfologia: de rede nanofibrilar 
exposta (controle) para superfície coberta por estruturas globulares e películas amorfas (60 e 90 
min) – Figura 3. 
 
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Figura 3 – Espectros de FTIR da celulose após diferentes tempos de exposição a radiação de 
plasma. 
Fonte: Elaborado pelos autores 
 
Isso comprova a sobreposição de camadas carbonosas e siliciosas promovidas pelo 
plasma, que garantem aumento da hidrorepelência (Mandracci & Rivolo, 2023; Bueno et al., 
2018). 
A espectroscopia Raman evidenciou formação de carbono amorfo por meio das bandas 
características D (∼1350 cm⁻¹) e G (∼1580 cm⁻¹), especialmente após 60 e 90 minutos de 
exposição – Figura 4 (Tanaka & Mutsukura, 1999; Wang et al., 2023). 
 
Figura 4 –. Teste de molhabilidade qualitativa das amostras de nanocelulose bacteriana derivada de 
kombucha em água destilada, realizado em béquer de vidro. 
Vista superior das amostras imersas: a amostra tratada por 90 minutos (seta vermelha) apresenta coloração 
escura e flutuação na superfície da água, indicando aumento da 
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hidrofobicidade; a amostra controle (0 minuto, seta preta) permanece no fundo do béquer, demonstrando alta 
afinidade com a água (hidrofilicidade). 
Vista lateral das mesmas amostras no interior do béquer. A flutuabilidade da amostra escurecida é atribuída à 
presença de recobrimento de carbono amorfo, conferindo 
propriedades hidrofóbicas à superfície. 
Esse teste qualitativo reforça os indícios de modificação superficial dananocelulose induzida pelo plasma, 
com potencial aplicação em substitutos hidrofóbicos ao couro ou tecidos impermeáveis. 
Fonte: Elaborado pelos autores 
O aumento dos picos e as variações na razão ID/IG indicam crescimento de matriz DLC 
na superfície, essencial para propriedades de resistência química e mecânica (Shah et al., 2024). 
Esses resultados, em conjunto, demonstram que a exposição via plasma de baixa pressão 
em atmosfera de ar acarreta transformações químicas e estruturais suficientes para converter 
BNC em membrana superhidrofóbica de alto desempenho, sem uso de produtos tóxicos ou pós-
tratamento, sendo um processo sustentável e promissor para aplicações em barreiras, vestíveis 
e biointerfaces inovadoras (da Silva et al., 2024). 
 
 
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Conclusão 
O procedimento de funcionalização por plasma de baixa pressão resultou em membranas de 
BNC hidrofóbicas e revestidas com filme tipo DLC, com transformações comprovadas por 
FTIR, goniometria, SEM e Raman. O método se mostrou escalável, ambientalmente benigno e 
ajustável, ampliando as aplicações tecnológicas dos biotêxteis à base de kombucha (da Silva et 
al., 2024; Samyn et al., 2023). 
 
Referências 
 Samyn, P.; Schoukens, G.; Van den Bulcke, J. Opportunities for bacterial nanocellulose 
in biomedical applications: review on biosynthesis, modification and challenges. Int. J. 
Biol. Macromol., 231 (2023), 124149. 
 Udikovic-Kolic, N.; Milicevic, D. The nanocellulose fibers from symbiotic culture of 
bacteria and yeast (SCOBY) kombucha: Preparation and characterization. In: 
Nanocellulose and Sustainability: Production, Properties, Applications, and Case 
Studies. CRC Press, 2021, pp. 153–173. 
 da Silva, C.J.G.; de Medeiros, A.D.M.; de Amorim, J.D.P. et al. Bacterial cellulose-
derived biotextiles: Sustainable leather alternatives from kombucha SCOBY. Textile 
Res. J., (2024). 
 Fahma, F.; Febiyanti, I.; Lisdayana N. et al. Nanocellulose as a new sustainable material 
for various applications: a review. Archives of Materials Science and Engineering, 
109(2), 49-64. 2021. 
 Shah, R.; Patel, S.; Singh, A. DLC coatings in biomedical applications – review on 
current advantages, existing challenges, and future directions. Surf. Coat. Technol., 487 
(2024), 129123. 
 Bueno, A.H.S.; Souza, G.B.; Silva, L.F.; Santos, M.C. Tribocorrosion evaluation of 
hydrogenated and silicon DLC coatings on carbon steel for use in valves, pistons and 
pumps in oil and gas industry. Wear, 394 (2018), 60–70. 
 Mandracci, P.; Rivolo, P. Recent advances in the plasma-assisted synthesis of silicon-
based thin films and nanostructures. Coatings, 13 (6) (2023), 1075. 
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 Cichosz, S.; Masek, A.; Dems-Rudnicka, K. Original study on mathematical models for 
analysis of cellulose water content from absorbance/wavenumber shifts in ATR FT-IR 
spectrum. Sci. Rep. 12 (2022), 19739. 
 Hospodarova, V.; Singovszka, E.; Stevulova, N. Characterization of cellulosic fibers by 
FTIR spectroscopy for their further implementation to building materials. Am. J. Anal. 
Chem. 9 (6) (2018), 303–310. 
 Tanaka, K.I.; Mutsukura, N. Deposition of diamond-like carbon film and mass 
spectrometry measurement in CH4/O2 RF plasma. Plasma Chemistry and Plasma 
Processing, 19, 217-227, 1999. 
 Wang, D.; Li, Y.; Zhang, X. Structural color generation: From layered thin films to 
optical metasurfaces. Nanophotonics, 12 (6) (2023), 1019–1081.