Structural and Morphological Characterization of Tussar and Bivoltine Silk Fibers

Resumo Técnico: Caracterização Estrutural e Morfológica de Fibras de Seda Tussar e Bivoltina

Definição do Problema
As fibras de seda, compostas principalmente por fibroína e sericina, são valorizadas por sua combinação única de resistência mecânica, flexibilidade e biocompatibilidade. No entanto, diferentes variedades de seda possuem propriedades físico-químicas distintas, impulsionadas por seus perfis específicos de aminoácidos e organizações moleculares. Embora a seda Tussar (selvagem, de espécies Antheraea) e a seda Bivoltina (domesticada, de Bombyx mori) sejam ambas tecnologicamente significativas, suas diferenças fundamentais na resposta a estímulos físicos externos, particularmente a irradiação eletromagnética, não são bem compreendidas em nível microestrutural. A literatura existente foca amplamente em tipos únicos de seda ou filmes processados quimicamente, deixando uma lacuna de conhecimento quanto à resposta comparativa de fibras naturais Tussar e Bivoltina sob condições de irradiação idênticas. Este estudo aborda a necessidade de comparar sistematicamente essas duas variedades para otimizar sua seleção para engenharia têxtil avançada, arcabouços biomédicos e design de compósitos funcionais.

Metodologia
O estudo empregou uma análise comparativa de fibras de seda Tussar e Bivoltina provenientes de instituições governamentais certificadas na Índia. O delineamento experimental envolveu:

1. Preparação das Amostras: As fibras foram limpas, secas e divididas em grupos controle (não tratado), irradiado por 5 minutos e irradiado por 10 minutos.
2. Irradiação: As amostras foram submetidas à irradiação de micro-ondas controlada (2,45 GHz, 1000W) por 5 e 10 minutos.
3. Técnicas de Caracterização:
   • Difração de Raios-X (XRD): Utilizada para avaliar a cristalinidade, identificar estruturas de folha-$\beta$ e calcular o tamanho do cristalito, deformação da rede, densidade de deslocamento e espaçamento interplanar usando a equação de Scherrer e o método de Williamson-Hall.
   • Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR): Utilizada para analisar ligações químicas, grupos funcionais e a preservação da espinha dorsal proteica (bandas Amida I, II e III).
   • Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM): Empregada para observar a morfologia superficial, o alinhamento fibrilar e a integridade estrutural.
   • Testes Mecânicos: Carga de ruptura, elongação e tenacidade foram medidas para avaliar a integridade estrutural e a capacidade de suporte de carga.

Principais Contribuições e Resultados
O estudo revela divergências estruturais e mecânicas distintas entre os dois tipos de seda após a exposição às micro-ondas:

• Cristalinidade e Análise de XRD:

  • Seda Tussar: Exibiu uma redução significativa na cristalinidade e na intensidade de difração após 5 minutos de irradiação, indicando cisão de cadeia e fragmentação estrutural. Uma recuperação parcial na intensidade e no tamanho do cristalito foi observada aos 10 minutos, mas a cristalinidade permaneceu abaixo do nível da amostra bruta, sugerindo recristalização limitada e uma tendência ao estado amorfo.
  • Seda Bivoltina: Demonstrou estabilidade superior. Embora a irradiação de 5 minutos tenha causado uma leve diminuição na intensidade, a exposição de 10 minutos resultou em um aumento significativo na intensidade de difração e no Índice de Cristalinidade (CI), subindo de 89% (bruta) para 92%. Isso indica reorganização molecular induzida pela irradiação e melhor alinhamento de folha-$\beta$ sem distorção significativa da rede.

• Espectroscopia FTIR:

  • Seda Tussar: Mostrou uma redução nas intensidades dos picos e alargamento das bandas após 5 minutos, sugerindo a interrupção parcial das ligações de hidrogênio e do ordenamento de folha-$\beta$.
  • Seda Bivoltina: Apresentou intensificação contínua e estreitamento das bandas Amida I e II após 10 minutos, denotando melhor alinhamento de cadeia e fortalecimento das interações intermoleculares.

• Propriedades Mecânicas:

  • Seda Tussar: O desempenho mecânico degradou-se significativamente após 5 minutos (redução da carga de ruptura e tenacidade), mas apresentou uma recuperação notável aos 10 minutos, excedendo ligeiramente os valores da fibra bruta.
  • Seda Bivoltina: Exibiu um aumento monotônico nas propriedades mecânicas com o tempo de irradiação. A carga de ruptura, a elongação e a tenacidade melhoraram progressivamente, com a amostra de 10 minutos apresentando o maior desempenho (por exemplo, a tenacidade aumentando de 2,19 para 2,857 g/den).

• Morfologia de Superfície (SEM):

  • Seda Tussar: As fibras brutas pareceram mais rugosas e heterogêneas. A irradiação induziu degradação superficial visível, incluindo rugosidade, interrupção de fibrilas e descontinuidades microestruturais.
  • Seda Bivoltina: As fibras brutas eram lisas e compactas. Pós-irradiação, as fibras permaneceram estruturalmente intactas, com apenas irregularidades superficiais menores, mantendo uma morfologia uniforme e compacta indicativa de melhor empacotamento molecular.

Significância e Alegações
O artigo conclui que a seda Bivoltina possui excelente tolerância à irradiação e adaptabilidade estrutural em comparação com a seda Tussar. Os autores afirmam que a irradiação de micro-ondas controlada controla efetivamente a microestrutura e o desempenho da seda, particularmente para as variedades Bivoltinas, ao promover o rearranjo das cadeias de fibroína e a estabilização dos domínios de folha-$\beta$.

O estudo afirma que essas descobertas são cruciais para o design racional de próximos materiais baseados em seda. Especificamente, a seda Bivoltina é identificada como um candidato mais adequado para aplicações que exigem alta estabilidade estrutural e desempenho mecânico aprimorado sob irradiação, como têxteis avançados, materiais biomédicos de suporte de carga e compósitos funcionais. Por outro lado, a suscetibilidade da seda Tussar à degradação térmica e estrutural sugere que ela pode ser melhor adequada para aplicações onde a porosidade natural e a textura estética são priorizadas em detrimento do reforço estrutural induzido por irradiação. O trabalho enfatiza que compreender essas respostas diferenciais é essencial para a seleção de tipos de seda e estratégias de processamento apropriadas no design de materiais funcionais.