Chitosan-based sustainable coatings for multifunctional applications
Tid: Fr 2025-03-07 kl 14.00
Plats: FB52, Roslagstullsbacken 21, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fysik, Material- och nanofysik
Respondent: Dongkun Yu , Ljus och materiens fysik, Bio-Opto-Nanofysik, FNM
Opponent: Professor Kishore Paknikar, Indian Institute of Technology, Bombay
Handledare: Professor Joydeep Dutta, Tillämpad fysik
QC 2025-02-17
Abstract
Marina resurser spelar en avgörande roll för att stödja den blå ekonomin och bidra till att uppnå flera av FN:s globala mål för hållbar utveckling (SDG). Samtidigt hotas marina ekosystemet av plastföroreningar, biofouling och korrosion. Detta skapar ett akut behov av hållbara lösningar. Kitosan, som utvinns från kitin – den näst vanligaste biopolymeren på jorden efter cellulosa – har stor potential. Detta beror på dess unika egenskaper, såsom biologisk nedbrytbarhet, vattenlöslighet, antimikrobiell aktivitet och förmåga att bilda skyddande filmer. Denna avhandling undersöker hållbar utvinning av kitosan, dess kemiska modifiering och dess tillämpningar inom antimikrobiella beläggningar, UV-filter, applikationer.
I avhandlingens första del utvanns kitosan från matavfall med hjälp av gröna lösningsmedel som en hållbar strategi för en cirkulär ekonomi. Vidare förbättrades kitosans antimikrobiella aktivitet genom att utveckla nanokompositer med kärn-skalsstruktur av ZnO@SnOx-partiklar, som visade betydande potential inom livsmedelsförpackningar. För att ytterligare förbättra den antimikrobiella effektiviteten och UV-blockerande egenskaper modifierades kitosan kemiskt med bensofenon-3 (BP-3), ett växtextrakt känt för sina UV-filteregenskaper. Den antimikrobiella aktiviteten hos de framställda kitosan-BP-3-beläggningarna testades mot både gramnegativa och grampositiva bakterier. Resultatet visade att hydroxylgruppen på bensofenon-3 spelade en avgörande roll för beläggningarnas antimikrobiella effekten. Kontinuerliga bestrålningstester visade dessutom att beläggningen bibehöll långvariga UV-blockerande egenskaper.
Biofouling är en process där mikro- och makroorganismer fäster sig på material nedsänkta i vatten. Detta orsakar betydande ekonomiska förluster på grund av ökad friktion, materialnedbrytning och höga underhållskostnader inom marina och industriella tillämpningar. För att hantera detta problem syntetiserades kitosanbaserade beläggningar med polyetylenglykol (PEG) av varierande kedjelängd. Syftet var att minska vidhäftning av mikroorganismer och kiselalger. Detta uppnåddes genom att modulera borsteffekten och hydrofiliciteten hos ytan. Dessutom visade sig ZnO-Ag-nanopartiklar, inbäddade i beläggningen, ha bakteriedödande egenskaper både i ljus och mörker.
Det är samtidigt brådskande att hitta alternativ till de utbredda men miljöovänliga epoxihartser som används i korrosionsskyddande beläggningar. Det är också viktigt att förhindra att de inbäddade korrosionsskyddsmedlen släpps ut i vattnet. Multifunktionella kitosanbeläggningar har framträtt som en lovande lösning för att förebygga marin korrosion och biofouling. För första gången har korrosionsinhibitorn 2-merkaptobenzotriazol (MBT) kemiskt bundits till kitosan. En ny mekanism för korrosionsskydd föreslogs också baserad på kitosan-MBT-beläggningar. Jämfört med en blandning av kitosan och MBT visade sig kitosan-MBT-beläggningen 40 gånger bättre korrosionsresistens.Denna tvåfunktionella kitosan-MBT-beläggning uppvisade dessutom överlägsna antifouling-egenskaper genom att förhindra musslors vidhäftning under 48 timmar.
Arbetet som presenteras i denna avhandling belyser mångsidigheten och potentialen hos kitosan som ett framväxande biomaterial. Dess tillämpningar omfattar områden som antimikrobiella tillämpningar, livsmedelsförpackningar, marin antifouling och korrosionsskydd.