Сравнительное исследование антимикробного действия нанокомпозитов и композита на основе полибутиленадипат-котерефталата с использованием Cu и Cu / Cu2O наночастиц и CuSO4

Введение

Большинство пластиковых материалов производится из ископаемого топлива и практически не разлагается, что вызывает опасения по поводу экономической и экологической устойчивости [1, 2]. Таким образом, разработка и синтез биоразлагаемых материалов из других источников привлекли большое внимание научного сообщества с целью сокращения производства пластмасс на нефтяной основе [3,4,5]. Биоразлагаемые полимеры начали играть фундаментальную роль в решении этих проблем как многообещающий вариант использования ископаемого топлива вместе с новым классом материалов, известных как бионанокомпозиты, которые благодаря нанотехнологиям стали обладать лучшими свойствами [6,7,8,9 , 10].

Бионанокомпозиты состоят из органической матрицы, в которой диспергированы неорганические наноматериалы [8, 11,12,13]. Различные морфологии и размеры неорганических компонентов, таких как наночастицы, нанотрубки, нанолисты, нанопроволоки и наноглина, оказывают значительное влияние на свойства полимерной матрицы. Оптические, термические, механические, магнитные и оптоэлектронные свойства улучшаются благодаря синергии между площадью поверхности, высокой реакционной способностью поверхности, превосходной термической стабильностью и высокой механической прочностью неорганических компонентов и полимерной матрицы [14,15,16] . Широкий спектр инноваций в химии полимеров, а также в технологиях микро- и нанообработки стимулировал исследования в области полимерных бионанокомпозитов не только для производства улучшенных структур, но и для получения новых функциональных материалов с интересными свойствами и очень сложными приложениями [17,18 , 19]. Некоторые биополимеры природного или синтетического происхождения, такие как полимолочная кислота (PLA) [20] и поли (бутиленадипат-котерефталат) (PBAT), были широко изучены [21, 22].

Одним из полимеров, который в настоящее время используется в качестве матрицы в нанокомпозитах, является PBAT [23]. Этот синтетический биополимер представляет собой линейный алифатический биоразлагаемый полиэфир на основе мономеров 1,4-бутандиола, адипиновой кислоты и терефталевой кислоты в полимерной цепи [24]. Его свойства аналогичны свойствам полиэтилена низкой плотности из-за его высокой молекулярной массы и длинноцепочечной разветвленной молекулярной структуры, что делает его гибким [24,25,26]. Основным ограничением PBAT является его низкая механическая прочность; однако с добавлением наноразмерных нагрузок этот недостаток можно преодолеть, тем самым наделяя этот материал многофункциональными свойствами, такими как лучшие термомеханические свойства [6, 27].

В настоящее время также существует острая необходимость в разработке бионанокомпозитов, которые могут контролировать или предотвращать микробную колонизацию путем включения наночастиц с известной антибактериальной активностью или усиления антибактериальных свойств, уже имеющихся у полимерной матрицы. В последнем случае существенное улучшение биоцидной способности полимерной матрицы было связано с синергизмом между двумя компонентами бионанокомпозита [28, 29]. Следовательно, полимер не только обеспечивает матрицу-носитель для наночастиц, но также может улучшить антибактериальные свойства и расширить возможности применения бионанокомпозита для удовлетворения различных требований для биомедицинских приложений или медицинских устройств, таких как эндотрахеальные трубки, сосудистые и мочевые катетеры [30 , 31,32]. Однако использование PBAT в медицинских устройствах широко не изучалось; только в нескольких статьях сообщается о возможности его использования в некоторых клинических приложениях [1].

В нескольких исследованиях сообщалось об использовании металлических наночастиц в качестве противомикробного агента. Внутренние биологические свойства этих материалов зависят от нескольких факторов, таких как используемый металл, размер частиц, структура и площадь поверхности. Все возможные комбинации этих факторов могут замедлить развитие антибактериальной устойчивости [33]. Большинство антимикробных исследований нанокомпозитов сосредоточено на упаковке пищевых продуктов, а биоцидная активность всегда нацелена на одни и те же бактерии. Неизвестно, станут ли бактерии устойчивыми к биоцидным наночастицам так же, как и к лекарствам. Таким образом, одной из целей данной работы была оценка антимикробной активности нанокомпозитов, содержащих PBAT с различными концентрациями Cu-NP, для потенциального использования в производстве стоматологических инструментов. Кроме того, мы провели полное сравнительное исследование термомеханических и антимикробных свойств материалов на основе PBAT. Нанокомпозиты PBAT были приготовлены с наночастицами Cu при трех различных концентрациях. Аналогичным образом были приготовлены нанокомпозиты с использованием Cu | Cu ₂ О-НП в качестве нагрузки. Наконец, CuSO ₄ композитный материал на основе был приготовлен в тех же концентрациях, которые использовались для приготовления нанокомпозитов. Биоцидную активность нанокомпозитов и композита PBAT оценивали против Staphylococcus aureus , который вызывает кожные инфекции, такие как фолликулит, фурункулез и конъюнктивит; Streptococcus mutans , который частично отвечает за зубной налет и зубную биопленку; и Enterococcus faecalis и Acinetobacter baumannii , которые могут вызывать инфекции, поражающие людей, особенно в больницах.

Материалы и методы

Материалы

PBAT (Ecoflex), используемый для приготовления нанокомпозитов, был поставлен BASF (Людвигсхафен, Германия). Его молекулярная структура показана в Дополнительном файле 1:Рисунок S1 (дополнительный материал). Наночастицы металла Cu с чистотой 99,99% (Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) имели диаметр от 100 до 200 нм. Для синтеза Cu | Cu ₂ О-НП, CuSO ₄ В качестве прекурсора была использована аскорбиновая кислота (C ₆ H ₈ О ₆ ) в качестве восстановителя и гидроксид натрия (NaOH) в качестве регулятора pH. Кроме того, CuSO ₄ (Sigma-Aldrich) был использован для приготовления композитного материала.

Синтез наночастиц путем химического восстановления

Метод синтеза, предложенный Khan et al. [34] был использован для получения Cu | Cu ₂ О-НП. Синтез начался растворением CuSO ₄ × 5H ₂ O в дистиллированной воде с получением 120 мл 0,1 М раствора. Затем 120 мл CuSO ₄ был добавлен в колбу, погруженную в баню с пропиленгликолем, с последующим быстрым добавлением 50 мл C ₆ H ₈ О ₆ решение. Смесь интенсивно перемешивали при приблизительно 390 об / мин в течение 30 минут, при этом температура повышалась до 80 ° C, после чего по каплям добавляли 30 мл раствора NaOH и раствор непрерывно перемешивали в течение 2 часов. Конечному раствору давали отстояться в течение ночи, а затем удаляли надосадочную жидкость. Концентрат центрифугировали и промывали дистиллированной водой и этанолом. Наконец, частицы были диспергированы с помощью ультразвукового оборудования, помещены в чашки Петри и высушены в печи при 60 ° C в течение ночи (см. Дополнительный файл 1:рисунок S2).

Синтез нанокомпозитов

Для приготовления нанокомпозитов и композиционного материала Cu-NPs, Cu | Cu ₂ O-NP и CuSO ₄ соли вводили в матрицу PBAT в концентрациях 1, 3 и 5%. Сначала плавили PBAT, а затем добавляли НЧ и перемешивали в реометре крутящего момента (модель 835205, Brabender GmbH &Co. KG, Дуйсбург, Германия) в течение 7 минут при 60 об / мин и рабочей температуре 140 ° C ( Дополнительный файл 1:Рисунок S4). Максимальная нагрузка составляла 5%, поскольку более высокие нагрузки вызывали эффекты флуоресценции в спектрах комбинационного рассеяния (дополнительный файл 1:Рисунок S3).

Характеристика

Полученные нанокомпозиты и композиционные материалы были охарактеризованы с целью изучения их отличий от полимера PBAT. Точно так же мы изучили, как разные концентрации Cu-NP, Cu | Cu ₂ O-NP и CuSO ₄ внутри полимера влияют на его механические, термические, морфологические, структурные и бактерицидные свойства.

Cu-NP и Cu | Cu ₂ O-NP были охарактеризованы с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM). Нанокомпозиты PBAT с Cu-NP (NCs-PBAT / Cu) и Cu | Cu ₂ О-НП (NCs-PBAT / Cu | Cu ₂ O) и композитный материал PBAT с CuSO ₄ (MCs-PBAT / CuSO ₄ ) были охарактеризованы с помощью термогравиметрического анализа (TGA), дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC), сканирующей электронной микроскопии (SEM), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), XRD, тестов на растяжение и анализа антимикробной активности с использованием диффузии в агар. Образец в форме пластины размером 100 мм × 100 мм × 1 мм каждого нанокомпозита был приготовлен таким образом, чтобы образцы, гомогенизированные в каждом анализе, имели одинаковый размер. Для получения формы пластины NCs-PBAT / Cu, NCs-PBAT / Cu | Cu ₂ O и MCs-PBAT / CuSO ₄ формовали на гидравлическом прессе Labtech (модель LP-20B; Labtech Engineering Co., Ltd., Самутпракарн, Таиланд) при 160 ° C и давлении 110 бар в течение 5 мин. Время предварительного нагрева и охлаждения составляло 15 минут и 1 минуту соответственно (дополнительный файл 1:Рисунок S4).

Морфологические и структурные свойства

Для проверки нанометрового масштаба наночастиц и того, что синтезированные порошки представляют собой смесь Cu и Cu ₂ О наночастицах был проведен структурный анализ с использованием XRD и морфологический анализ с использованием TEM.

Микрофотографии просвечивающей электронной микроскопии Cu | Cu ₂ О-НЧ получали с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEM 1200 EX II (JEOL, Ltd., Токио, Япония) при напряжении 120 кВ. Образец был приготовлен путем помещения капли наночастиц, разведенных в этаноле, на медную сетку с углеродным покрытием размером 200 меш. Кроме того, наночастицы были проанализированы с помощью электронограммы.

Спектры XRD Cu-NP, Cu | Cu ₂ О-НЧ, нанокомпозиты и композиционный материал были получены с использованием дифрактометра Bruker Endeavour (модель D4 / MAX-B; Bruker, Billerica, MA, USA). Размах 2θ составлял от 4 до 80 ° с шагом 0,02 ° и временем счета 1 с. Дифрактометр работал при 20 мА и 40 кВ с медной катодной лампой ( λ =1,541 Å).

FTIR-спектры нанокомпозитов были получены с использованием FTIR-спектрометра Spectrum Two (× 1720) (PerkinElmer, Waltham, MA, USA) с функцией ослабленного полного отражения (ATR). Каждый спектр был получен путем последовательных сканирований в диапазоне 4000–500 см ⁻¹ . с разрешением 1 см ⁻¹ .

Механические свойства (испытание на растяжение)

Испытания на растяжение, основанные на стандарте ASTM D638, проводили на универсальной испытательной машине smarTens (модель 005; Emmeram Karg Industrietechnik, Krailling, Германия) при скорости испытания 50 мм / мин и датчике нагрузки 1 кН. Образцы V-образного типа были изготовлены сжатием при температуре формования 160 ° C. Время предварительного нагрева, прессования и охлаждения составляло 7, 5 и 1 мин соответственно. Было изготовлено по пять образцов каждого исследуемого NC и MC, и были определены предел прочности на разрыв, предел относительного удлинения и модуль упругости.

Тепловые свойства

ТГА проводили с использованием термомикровесов TG 209 FI Iris® (NETZSCH-Gerätebau GmbH, Зельб, Германия). Образцы массой от 3 до 10 мг помещали в алюминиевые тигли, которые затем загружали в прибор. Изменение массы в зависимости от температуры измеряли путем нагревания образцов от 20 до 600 ° C со скоростью 10 ° C / мин в атмосфере N ₂ . атмосфера.

DSC-анализ выполняли с использованием дифференциального сканирующего калориметра NETZSCH (модель DSC 204 F1). Образцы нанокомпозита (5–10 мг) помещали в герметичные алюминиевые тигли, которые нагревали от 25 до 200 ° C со скоростью 10 ° C / мин при постоянном N ₂ скорость потока 20 мл / мин. Температура плавления ( T _м ) был получен из этого анализа ДСК.

Анализы антимикробной активности NC и MC с использованием диффузии в агар

Антибактериальная активность нанокомпозитов и композиционного материала на основе Cu-NP, Cu | Cu ₂ O-NP и CuSO ₄ определяли методом диффузионной кинетики роста в агаре. Анализ проводился в два этапа по протоколу Jaramillo et al. [35]. Использовали четыре штамма бактерий:два клинических штамма A. baumannii (ABA 538), выделенный из внутрибольничной инфекции и E. faecalis (6.4) от оральной инфекции и два коллекционных штамма, S. золотистый (ATCC) и S. mutans (ATCC 25175).

Первый этап состоял из качественной оценки антибактериальной активности, чтобы выбрать, какую из трех концентраций нанокомпозитов и композиционного материала использовать для проведения количественных тестов, чтобы уменьшить экспериментальный план, поскольку использование трех концентраций нагрузки было бы очень дорого. После оценочных испытаний был выбран образец с процентной нагрузкой, которая показала лучшее ингибирование контакта. Для проведения качественных тестов А. baumannii (ABA 538), Э. faecalis (6.4), С. золотистый (ATCC) и S. mutans (ATCC 25175) отдельно высевали на триптиказо-соевый агар (TSA) и инкубировали в течение ночи при 37 ° C. После культивирования отбирали хорошо изолированную колонию и переносили в пробирку, содержащую 4–5 мл бульона TSA, используя петлю для посева. Бульон снова инкубировали в течение ночи при 37 ° C до достижения или превышения мутности 0,5 по шкале МакФарланда. Затем мутность посевного материала доводили физиологическим раствором до 0,5 по шкале МакФарланда с использованием турбидиметра. Приготовленная суспензия содержала примерно 1 × 10 ⁸ КОЕ / мл, который был разбавлен до 1:10, чтобы получить конечную концентрацию посевного материала 10 ⁷ . КОЕ / мл. Чашки TSA равномерно засевали каждым посевным материалом. Затем листы (10 × 10 мм ² ) нанокомпозитов и композиционного материала в концентрациях 1, 3 и 5%, плюс контроль PBAT, были помещены на поверхность пластин TSA и проверены, чтобы убедиться, что они хорошо прилипают. Наконец, планшеты помещали в печь и инкубировали при 37 ° C в течение 24 часов, чтобы наблюдать ингибирование образцов PBAT.

Второй этап метода кинетики роста состоял из количественных тестов, проводимых только на тех нанокомпозитах и ​​композитных материалах, где ингибирование контакта было очевидным в качественном тесте. Для поддержания стерильности испытания проводили с использованием шкафа биологической безопасности серии 1200 типа A2 (ThermoFisher Scientific, Уолтем, Массачусетс, США). Сначала образцы предварительно кондиционировали, помещая их в стерильные чашки Петри и помещая в шкаф биобезопасности, где они подвергались воздействию ультрафиолетового света в течение 15 минут с каждой стороны. Затем 24-часовые бактериальные культуры каждого штамма доводили до мутности 0,5 по шкале МакФарланда для последующего создания шести серийных разведений (1, 2, 3, 4, 5 и 6). Первоначальный подсчет был выполнен для разведений 4, 5 и 6 (в трех экземплярах), чтобы определить счет в нулевой момент времени.

Влажные камеры, по одной для каждого времени оценки (2, 4, 6 и 8 ч) и для каждого штамма, были приготовлены путем помещения стерильной марли, смоченной стерильной дистиллированной водой, в стерильные чашки Петри. Затем внутрь каждой влажной камеры помещали стерильное предметное стекло так, чтобы верхняя сторона не касалась влажной марли. Далее три 1 × 1 см ² Листы нанокомпозитов и композиционного материала, а также листы PBAT в качестве контролей помещали в камеры с помощью стерильного зажима. Разведение (20 мкл) наносили на каждый квадратный лист, и камеры инкубировали при 37 ° C в течение 2, 4, 6 и 8 часов.

После инкубации влажные камеры были извлечены, и каждый полимерный лист был помещен в пробирку Falcon с 1 мл стерильной дистиллированной воды. Пробирки встряхивали в течение 2–5 мин [35]. Из продукта в пробирках Falcon сделали три разведения. Чашки Петри, содержащие TSA, были разделены на четыре части. Приблизительно от трех до пяти капель (соответствующих 20 мкл) каждого из трех разведений и одна капля неразбавленного содержимого пробирки Falcon помещали в квадранты. Чашки с агаром должны были быть полностью сухими, чтобы капли абсорбировались почти мгновенно. Затем планшеты инкубировали при 37 ° C в течение 24 ч с последующим подсчетом колоний с помощью счетчика колоний. Полученные данные были умножены на использованный коэффициент разведения и нанесены на графики с использованием функции логарифма или процента выживаемости.

Результаты и обсуждение

Реометрия используется для получения динамических измерений реологических свойств нанокомпозитов в условиях, близких к реальным условиям, в которых были обработаны нанокомпозиты. Для этого были проведены измерения для контроля изменений вязкости во время перемешивания расплава. Результаты этих измерений показаны в Дополнительном файле 1:Рисунок S5. Увеличение крутящего момента двигателя связано с вязкостью плавления полимера [21, 36], и значения начинают оставаться постоянными после 4 мин перемешивания. Это подтверждает, что установленное в данной работе время перемешивания 7 мин было достаточно для достижения полного перемешивания.

Значения крутящего момента для матрицы PBAT и NCs-PBAT / Cu 1% составляли около 19,86 Н · м. Кривые (Дополнительный файл 1:Рисунок S5) показывают, что 1% концентрация Cu-NP мало влияет на механические свойства матрицы, но более низкие значения равновесного крутящего момента 18,4 и 17,4 Н · м были получены для NCs-PBAT / Cu 3. % и NCs-PBAT / Cu 5% соответственно. Эти результаты ясно указывают на то, что технологичность NCs-PBAT / Cu была улучшена по сравнению с матрицей PBAT [37]. Аналогичные результаты были получены со смесью NCs-PBAT / Cu | Cu ₂ O, где значение равновесного крутящего момента уменьшалось с увеличением процентной нагрузки до 3%, но 5% -ная нагрузка дала значение, очень близкое к 1% -ной нагрузке Cu | Cu ₂ О-НП. Значения равновесного крутящего момента составляли 19,39, 19,07 и 19,37 Нм для 1, 3 и 5% соответственно. Для MCs-PBAT / CuSO ₄ смеси, значения равновесного крутящего момента увеличивались с увеличением нагрузки CuSO ₄ увеличилось, т.е.18,71 Н · м для 1%, 19,16 Н · м для 3% и 19,79 Н · м для 5% нагрузки. Такое поведение можно объяснить размером CuSO ₄ кристаллы. Одновременно с этим Дополнительный файл 1:Рисунок S5 показывает, что равновесный крутящий момент всех нанокомпозитов и композитного материала был стабильным с увеличением времени перемешивания, что указывает на то, что термическое разложение не происходило в смесителе, вероятно, потому что наночастицы уменьшают силы когезии между полимерными цепями и наиболее вероятно, выполнять самосмазку в процессе смешивания [37].

Морфологические и структурные свойства

Сначала были проанализированы наночастицы, полученные химическим восстановлением. Результаты синтеза Cu | Cu ₂ О-НП показаны на рис. 1б. Микрофотография ПЭМ показывает смесь сферических частиц и полиэдрических частиц. Средний диаметр сферических наночастиц составлял 26 нм (рис. 1c), а диаметр полиэдрических наночастиц составлял от 80 до 160 нм. Состав этих наночастиц был определен методом дифракции электронов на выбранной площади (SAED) (рис. 1c), который обнаружил фазы, соответствующие металлическим Cu и Cu ₂ О. Этот вывод был подтвержден дифрактограммой, представленной на рис. 1а. Шесть дифракционных пиков четко наблюдались при 2θ =36,3 °, 42,17 °, 43,42 °, 50,63 °, 61,47 ° и 74,37 °. Поскольку наночастицы были синтезированы путем химического восстановления CuSO ₄ до CuO, дифракционные пики были подтверждены данными для Cu в базе данных рентгеновских дифрактограмм X’Pert HighScore. Мы наблюдали, что пики при 2θ =43,2 °, 50,63 ° и 74,37 ° принадлежат плоскостям дифракции металлической Cu (111), (200) и (220). Остальные три пика показывают, что синтезированные наночастицы содержат более одного вещества, поэтому дифракционная картина представляет собой комбинацию обоих. Видесундера [38] проанализировал тонкие пленки Cu ₂ O с помощью XRD и показал, что плоскости, дифрагированные при 2θ =36,3 °, 42,17 ° и 61,47 °, соответствуют индексам Миллера (111), (200) и (220). Эти индексы относятся к гранецентрированной кубической структуре (ГЦК), которая соответствует части центральной области антифтористой структуры, которая согласуется со структурой Cu ₂ O, в соответствии с результатами анализа SAED.

а XRD синтезированных наночастиц Cu и CuO2. б , c ПЭМ-изображение, распределение по размерам и дифрактограмма синтезированных наночастиц. г XRD наночастиц Cu. е , f ПЭМ-изображение, распределение по размерам и дифракционная картина наночастиц Cu

Wang et al. [39] обнаружили, что при синтезе Cu-NP путем химического восстановления размер частиц составлял от 100 до 150 нм. Они использовали C ₆ H ₈ О ₆ в качестве восстановителя и поли (винилпирролидон) (ПВП) в качестве поверхностно-активного вещества. Грани не соответствовали Cu ₂ O, потому что PVP помог стабилизировать растущие семена, тем самым предотвратив их окисление. Однако целью нашего исследования был синтез Cu ₂ O НЧ, что может быть достигнуто путем химического восстановления без использования стабилизатора, такого как ПВП.

Cu-NP, которые использовались при приготовлении нанокомпозита, имели сферическую форму с диаметром от 100 до 200 нм (рис. 1e, f). На дифрактограмме Cu-NPs, показанной на рис. 1d, три пика, четко наблюдаемые при 43,60 °, 50,72 ° и 73,95 °, соответствуют кристаллическим плоскостям (111), (200) и (220) соответственно. Кубическая кристаллическая структура с пространственной группой Fm3m (JCPDS № 85-1326) [55] соответствует структуре, найденной с помощью SAED-анализа (рис. 1d).

Согласно заявлению поставщика, металлические частицы, использованные в нашем исследовании, были получены с помощью системы механического измельчения. Недостатком этого метода является то, что небольшой процент частиц (~ 10%) имеет размер более 500 нм. Однако это не повлияло отрицательно на цели нашего расследования. Ниже мы продемонстрируем, как эта дисперсия повлияла на термомеханические свойства матрицы PBAT. Важно отметить, что в методах механического измельчения не используются прекурсоры или стабилизаторы, как в случае с методами мокрого синтеза, которые известны как методы химического восстановления. Следовательно, поверхность Cu-NPs, полученных путем измельчения, не пассивируется адсорбцией молекул либо из стабилизатора, либо из побочного продукта реакции. Таким образом, эти Cu-NP, не улучшая существенно механические свойства полимера, также не разрушают их. Однако антимикробные свойства должны быть улучшены, поскольку миграция Cu ²⁺ облегчается на непассивированных поверхностях.

На рис. 2 представлены XRD-спектры NCs-PBAT / Cu (рис. 2a), NCs-PBAT / Cu | Cu ₂ . O (рис. 2b) и MCs-PBAT / CuSO ₄ (Рис. 2в). Рисунок 2c был приготовлен при трех концентрациях (1, 2 и 3% w / w ). Эти дифрактограммы сравнивали с дифрактограммами полимерной матрицы PBAT, чтобы продемонстрировать влияние нагрузок на структуру полимера. Дифрактограмма PBAT показала дифрактограмму с пятью дифракционными пиками при 2θ =16,1 °, 17,3 °, 20,2 °, 23,1 ° и 25 °, соответствующих плоскостям (011), (010), (101), (100) и (111) соответственно. Этот анализ показал наличие кристалличности в полимерной матрице. Характеристика PBAT Arruda et al. [40] с помощью XRD также обнаружили те же пять пиков дифракции под теми же углами, что и в этом исследовании, соответствующие тем же плоскостям.

Дифрактограмма PBAT, NCs-PBAT / Cu, NCs-PBAT / Cu | Cu ₂ O и MCs-PBAT / CuSO ₄

Дифрактограммы нанокомпозитов с нагрузками Cu-NP представлены на рис. 2а. Сигналы 2θ при 43 °, 50 ° и 74 ° характерны для плоскостей (111), (200) и (220) FCC-структуры Cu с пространственной группой Fm3m (JCPDS №85-1326) [ 41]. Нет фаз, соответствующих CuO или Cu ₂ O наблюдались на дифрактограмме NCs-PBAT / Cu, поэтому мы пришли к выводу, что наночастицы не окислялись во время синтеза нанокомпозита. Кроме того, дифрактограммы показывают, что наночастицы не влияли на структуру PBAT и не изменяли ее, и что интенсивность пиков прямо пропорциональна процентному содержанию Cu-NP. Дифрактограммы NCs-PBAT / Cu | Cu ₂ O имеют шесть характерных пиков при 2θ =36,4 °, 43 °, 42,4 °, 50 °, 61,5 ° и 74 ° (рис. 2б). Согласно литературным данным и анализу наночастиц, только три соответствуют металлической Cu, а пики при 36,4 °, 42,4 ° и 61,5 ° принадлежат Cu ₂ O, согласно спектру наночастиц этого типа, показанному на рис. 1а [35].

Дифракционные пики, соответствующие Cu | Cu ₂ Армирование O-NP становилось более интенсивным по мере увеличения концентрации внутри матрицы, но пики, принадлежащие кристаллической зоне полимера, немного уменьшались по интенсивности с включением нагрузок. Chivrac et al. [42] сообщили о подобных результатах в исследовании с использованием множества наноглин в PBAT. Они предположили, что не было значительной транскристалличности на границе раздела нагрузка-полимер, и, следовательно, не было никаких изменений в кристаллической структуре полимера. Однако уменьшение интенсивности дифракционных пиков PBAT с увеличением концентрации нагрузок в матрице указывает на снижение кристалличности PBAT. Следовательно, нагрузки препятствуют кристаллическому росту PBAT. Этим можно объяснить небольшое уменьшение дифракционных пиков, принадлежащих PBAT, с увеличением Cu | Cu ₂ О-НП.

На рисунке 2c показаны спектры XRD MC-PBAT / CuSO ₄ . для трех концентраций CuSO ₄ 1, 3 и 5%. Добавление 1% CuSO ₄ нагрузка не вызвала изменений в полимере. 3 и 5% CuSO ₄ кривые нагрузки показывают только минимальное увеличение интенсивности пиков при 2θ =36,4 °, 40,25 °, 43,94 °, 57,9 ° и 75,7 °, которые принадлежат Cu и Cu ₂ O присутствует, что указывает на то, что часть Cu ₂ SO ₄ был восстановлен и окислен в процессе перемешивания. Что касается кристаллической зоны PBAT, увеличение концентрации CuSO ₄ армирование уменьшило интенсивность дифракционных пиков в PBAT, как это произошло для NCs-PBAT / Cu и NCs-PBAT / Cu | Cu ₂ О. Таким образом, включение CuSO ₄ в полимерную матрицу снижает ее способность к кристаллизации, вероятно, из-за того, что CuSO ₄ препятствует росту кристаллитов. Поскольку дополнительной информации по рентгеновским спектрам CuSO ₄ нет. в композитных материалах, нам придется исследовать его поведение в биоразлагаемых полимерах. Степень кристалличности матрицы рассчитывалась как:

где I _c - площадь пиков кристаллической фазы и I _c + Я _а - общая площадь под дифрактограммой. Значения степени кристалличности для каждого материала приведены в таблице 1. Эти результаты показывают, что процент кристалличности увеличивается с увеличением концентрации Cu-NP и Cu | Cu ₂ O-NP увеличивается в матрице PBAT, что очевидно по увеличению интенсивности пиков на соответствующих дифрактограммах.

С другой стороны, дифрактограммы показывают, что наночастицы не повлияли на структуру PBAT и не изменили ее, и что интенсивность пиков прямо пропорциональна процентному содержанию Cu-NP и Cu | Cu ₂ О-НП. Кроме того, добавление CuSO ₄ Соль-предшественник снижает кристалличность полимера по сравнению с кристалличностью полимера в чистом состоянии. Это условие возникло из-за того, что добавление концентраций нагрузок в нанокомпозиты увеличивало относительный процент кристалличности, но уменьшало кристалличность PBAT, в результате чего, как правило, сообщалось как небольшое увеличение общего процента кристалличности. MCs-PBAT / CuSO ₄ загрузки не показали кристаллических пиков в их спектрах XRD. Следовательно, они не способствовали увеличению кристалличности, но вызывали снижение кристалличности в полимерной цепи, что объясняет снижение общего процента кристалличности в композиционном материале. Some studies have shown that metal nanoparticles act as centers of nucleation in the orientation of the polymer chains, which in turn increases the crystallinity of the polymer [43].

The FTIR (Additional file 1:Figure S6) spectra show that the characteristic peaks at different load concentrations are at the same frequency but have different intensities. The spectra show that as the concentration of nanoparticles in the polymer matrix increased, the intensity of the peaks corresponding to NCs-PBAT/Cu and NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O increased with respect to the PBAT. Therefore, there was no effective interaction between the chains of the PBAT and the nanoparticles. Had there been interaction, some of the signals in the FTIR spectrum would have been displaced as a result of the interaction of the functional groups of the polymer with the surface of the PBAT [40].

Mechanical Properties (Tensile Test)

To give multifunctionality to biopolymers, nanomaterials that provide special properties to a nanocomposite are usually incorporated. Their inclusion will change the mechanical properties of the material and the intensity of the changes is directly related to the union of the nanostructure with the polymer network [44]. We conducted tensile tests on the nanocomposites and the composite material. The tensile strength and maximum deformation values are summarized in Table 2.

Figure 3 shows the average curves of the tensile tests on the nanocomposites and composite material. As the permanent deformation of the material began, the effect of the concentration of the nanoparticles in the polymer could be distinguished. Figure 3a shows the results for NCs-PBAT/Cu. The results show that the inclusion of nanostructures did not considerably affect the elastic range but there were noticeable changes in the yield strength. As the concentration of the Cu-NPs increased, maximum resistance increased and maximum elongation decreased. These changes clearly indicate that the nanostructures harden the PBAT. At 3% concentration of Cu-NPs, the tensile strength slightly increased but the elongation percentage in the fracture decreased between 30 and 35%.

Stress and strain of PBAT, NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and MCs-PBAT/CuSO₄

Figure 3b shows the results of the tensile tests on the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O. The 1% load nanocomposite clearly showed an increase in tensile strength and elongation with respect to the PBAT. There was no appreciable effect on the elastic range, but it did appear to be above the yield stress. In addition, the curve for the 3% load NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O shows there was no significant difference with respect to the PBAT. The same behavior is seen with curve for the 5% load NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O. The curves for MCs-PBAT/CuSO₄ (Fig. 3c) show that the yield stress decreased for the three concentrations of CuSO₄ with respect to the PBAT.

From the results, we can conclude that the reinforcements did not significantly change the mechanical properties of the PBAT. Venkatesan and Rajeswari [45] showed a significant increase in mechanical properties by incorporating ZnO nanoparticles in a PBAT matrix with respect to that of the PBAT. Similar results with some improvements were obtained by Chen and Yang [46]. They elaborated a PBAT nanocomposite with montmorillonite nanoparticles using melt blending.

Our investigation found that the NCs-PBAT/Cu|Cu2O 3 and 5% and MCs-PBAT/CuSO4 1 and 5% had slightly decreased tensile strength, that is, there were no significant variations in the mechanical properties. However, the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 1% and MCs-PBAT/CuSO₄ 3% had slightly increased tensile strength. Therefore, no reinforcement at any concentration in the matrix caused remarkable variations in the mechanical properties of the PBAT. In addition, as the concentration of Cu-NPs increased, their mechanical properties increased the resistance of the PBAT but elongation could not be maintained. The results of the tensile tests showed that the commercial Cu nanoparticles improved the tensile strength of the PBAT slightly more than did the Cu|Cu₂ O nanoparticles and the CuSO₄ частицы. The difference between the tensile properties found in our investigation and those in the literature could be attributed to load dispersion because the agglomerated particles act as stress concentrators [47]. Finally, the variations in the test values were explained by the preparation conditions of the test samples, the degree of crystallinity of the PBAT, the molecular mass, the degree of interaction at the polymer-reinforcement interface, and the load dispersion because the agglomerates in the matrix could act as stress concentrators.

Thermal Properties

One of the disadvantages of the PBAT is its low thermal stability because the fusion process can degrade its polymer chains [48]. Therefore, the effect of nanometric and micrometric loads on the decomposition of this biopolymer must be investigated. TGA of NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and MCs-PBAT/CuSO₄ was carried out to observe the changes in the thermal stability of the PBAT caused by the presence of Cu nanoparticles in the matrix. The TGA results are shown in Fig. 4, and the initial (T _di ) and final (T _df ) decomposition temperatures of the analyzed samples are summarized in Table 3. The thermograms show that the polymer without any load had a weight loss of 1% at 420.77 °C, while the nanocomposites NCs-PBAT/Cu 1, 3, and 5% presented a weight loss of around 3% (Fig. 4a). This suggests that the presence of Cu-NPs at concentrations of 3 and 5% slightly increases the thermal stability of the nanocomposites compared to that of the unloaded polymer. After the final thermal decomposition, the degradation percentages, at around 420–427 °C, of the PBAT matrix and nanocomposites NCs-PBAT/Cu 1, 3, and 5% were 98.9, 97.5, 95.4, and 96.8%, respectively. The residues were higher for Cu-NPs-incorporated nanocomposite samples. Similar results have been reported for PBAT nanocomposites with different loads of Ag-NPs [49].

TGA of a PBAT and NCs-PBAT/Cu, b NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and c MCs-PBAT/CuSO₄ , DTG of d PBAT and NCs-PBAT/Cu, e NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, f MCs-PBAT/CuSO₄

Although no significant change is seen among the curves in Fig. 4b for the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, the results show that as the Cu|Cu₂ O-NPs increased in the polymer structure, T _di increased and T _df decreased with respect to the initial and final degradation temperatures of PBAT; in addition, the total mass loss decreased. By calculating the derivative of the mass with respect to the temperature, we obtained the curves in Fig. 4d–f for the indicated peaks of the nanocomposite with Cu|Cu₂ O-NPs and found that T _df , at which the maximum decomposition occurs, was between 402 and 403 °C (Table 3).

The CuSO₄ loads incorporated into the polymer matrix, i.e., MCs-PBAT/CuSO₄ , yielded the same behavior as that of the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, with an increase in T _di and a decrease in T _df with respect to the PBAT polymer. The T _di values of the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O and the MCs-PBAT/CuSO₄ were greater than that of the NCs-PBAT/Cu, but the T _df and degradation percentage values were less than those of the nanocomposites with Cu-NPs loads.

This enhancement of the thermal stability of the PBAT is attributed to the barrier effect of the loads. The loads were also supposed to have a shielding effect on the matrix to slow the rate of mass loss of the decomposition product [50]. The data obtained by our analysis were compared with published results to verify that the indicated behavior is usual for this type of polymer. Sinha Ray et al. [51] found by thermal analysis of PBAT reinforced with nanoclays that the degradation temperatures of the nanocomposites were greater than or at least equal to that of the PBAT. In general, the reinforcements improve the thermal stability of the polymer matrix because they act as a heat barrier, which improves the total thermal stability of the system. However, the studies of Sinha Ray et al. and this investigation showed that the thermal stability of the nanocomposite and PBAT compounds only slightly improved. To explain the relatively low improvement in the thermal stability of some nanocomposites, Sinha Ray et al. assumed that in the early stages of thermal decomposition, the reinforcements displace the decomposition to higher temperatures, but in a second stage, the clay layers accumulate heat and then act as a source of heat. This heat source, along with the heat flow supplied by the external heat source, promotes the acceleration of decomposition. This could explain the behavior of the reinforcements in the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O and MCs-PBAT/CuSO₄ . Thus, we conclude that the thermal properties of the nanocomposites and the composite material slightly improve but not significantly. On the other hand, the results of DSC (Additional file 1:Figure S7 and Table S1) indicated that the addition of reinforcements to the matrix slightly hindered the kinetics and degree of crystallization of the PBAT. The addition of clays increased the crystallization temperature from 1 to 10 °C and the melting temperature from 1 to 5 °C. These phenomena were probably due to an increase in the viscosity of the polymer with the addition of clays, which reduced the mobility of the macromolecular chains against the growth of crystals.

Comparative Evaluation of the Antimicrobial Activity of NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and MCs-PBAT/CuSO₄

Qualitative Test

After the experimental procedure was performed, we wanted to observe whether bacterial colonies were inhibited by each PBAT sample, i.e., NCs-PBAT/Cu 1, 3, and 5%; NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 1, 3, and 5%; and MCs-PBAT/CuSO₄ 1, 3, and 5%. We decided to use the 3% concentrations because the 1% concentrations did not produce enough bacterial inhibition and the 5% concentration produced behavior similar to that of the 3% concentration, the minimum percentage with activity that avoided toxicity in the polymer.

Quantitative Test

The study was carried out at different contact times using four bacterial strains and the PBAT samples NCs-PBAT/Cu 3%, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 3%, and MCs-PBAT/CuSO₄ 3%. The times and colony-forming unit counts (CFU/mL) are presented in Table 4, and the bacterial activity and colony count for each Petri dish are shown in Fig. 5. In addition, a graphical analysis is shown in Fig. 6, where images of bacterial growth are also presented. The statistical analysis of the data is summarized in Table 5.

Bacterial activity and colonization count PBAT, NCs-PBAT/Cu-3%, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 3%, and MCs-PBAT/CuSO₄ 3% for each strain of bacteria. Золотистый стафилококк , Acinetobacter baumanni , Enterococcus faecalis , Streptococcus mutans

Graphical analysis of colony count (CFU/mL) vs time (h) of PBAT, NCs-PBAT/Cu-3% NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 3%, and MCs-PBAT/CuSO₄ 3% for each strain of bacteria. Enterococcus faecalis , Acinetobacter baumanni , Streptococcus mutans , Staphylococcus au reus

The study of A. baumannii found that the colonies grew in all periods (2, 4, 6, and 8 h) in the samples containing Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and PBAT. High bactericidal activity occurred with the sample containing CuSO₄ during exposure times of 4, 6, and 8 h, decreasing from 7 × 10 ⁵ to 0 CFU/mL. The sample containing Cu-NPs showed a significant increase in the growth of bacterial colonies from 1 × 10 ⁵ to 6 × 10 ⁶  CFU/mL, with an average of 2 × 10 ⁶  CFU/mL. The bacterial colonies in the sample containing Cu|Cu₂ O-NPs grew from 7 × 10 ⁵ in time I to 6 × 10 ⁶ in time IV, with an average growth of 3.19 × 10 ⁶  CFU/mL. Bacterial growth in the PBAT reached an average of 1.75 × 10 ⁶  CFU/mL.

The study of E. faecalis found good bactericidal activity by the samples containing Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and CuSO₄ , with average colony growth of 5 × 10 ² , 1 × 10 ⁴ , and 2.2 × 10 ³  CFU/mL, respectively, while the PBAT did not show bactericidal activity and the colonies grew at all times. Colony growth in the sample containing Cu-NPs was 2 × 10 ³  CFU/mL at 2 h then dropped to zero at 4, 6, and 8 h, whereas the samples containing Cu|Cu₂ O-NPs had 0 CFU/mL at times I, II, and III, but 4 × 10 ⁴  CFU/mL at time IV. Samples containing CuSO₄ prevented the growth of bacteria in times I and II with growth activity of 0 CFU/mL, but colonies grew to 4 × 10 ³ and 5 × 10 ³  CFU/mL for times III and IV, respectively. PBAT did not show bactericidal activity against E. faecalis .

The study of S. mutans found no colony growth in the samples containing Cu|Cu₂ O-NPs and CuSO₄ . The sample containing Cu-NPs showed very good bactericidal activity except at time I, at which colony growth was 4 × 10 ³  CFU/mL, making the average growth for the four times 8 × 10 ²  CFU/mL. PBAT without reinforcement showed no bactericidal activity against S. mutans . The samples containing Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and CuSO₄ in contact with S. золотистый showed an excellent bactericidal response. They completely inhibited the growth of colonies, while PBAT did not show any bactericidal activity against S. золотистый , which grew an average of 6 × 10 ³  CFU/mL.

In general, the antibacterial effectiveness of polymer-and-metal nanocomposites improves with a high surface/volume ratio, which increases the number of ions released from the nanoparticles into the polymer. The mechanism of the corrosion of Cu in aqueous solutions and the resulting Cu species vary with pH. In general, the species Cu₂ O and CuO are formed and can be dissolved in Cu ions. Elemental metal particles require the presence of water and oxygen molecules to release a small amount of ions. Therefore, retention of water and oxygen within the polymer is crucial for the release of Cu ions. Some properties of polymer-and-metal nanocomposites such as the crystallinity and polarity of the matrix, which constitute a barrier for the diffusion of water molecules and ions during their propagation, can affect the rate of release. Shankar and Rhim [49] prepared films composed of PBAT and Ag nanoparticles (PBAT/Ag-NPs) that showed strong antibacterial activity against E. coli and Listeria monocytogenes compared with that of PBAT films without Ag-NPs. Similar results were obtained by Venkatesan and Rajeswari [45] when they evaluated the antimicrobial activity of ZnO-NPs incorporated in a PBAT matrix. The PBAT compound, which was used as a control matrix, showed no antimicrobial activity compared to the PBAT/ZnO-NPs nanocomposite films. The results showed that the films had high bactericidal activity against the pathogens tested (E. coli и С. золотистый ), with increased inhibition of bacterial growth as the ZnO load concentration increased from 1 to 10% by weight. This ability of Cu, Zn, and Ag nanoparticles to inhibit bacterial growth is mainly due to the irreparable damage to the membrane of the bacterial cells caused by the interaction between the surface of the bacteria and these oxides and metals [52, 53]. Compared with the works discussed above, our investigation found significant antimicrobial activity against inpatient and oral-resistant strains.

To complement this investigation, we performed water absorption tests using three different media and following point 7.4, “Long-Term Immersion”, in ASTM D570-98. The results of these tests are reported in the supplementary material, Additional file 1:Table S2–S4 and Figure S8, with their respective analysis. Analysis showed that sulfate-based composite materials absorb large amounts of water, even in acidic and basic environments. This phenomenon greatly affects the mechanical properties of these materials; however, resistant bacteria, such as A. baumannii , require an immediate Cu ⁺ distribution to control them. This explains the antimicrobial power of CuSO₄ within the PBAT matrix.

Выводы

Using XRD and TEM, we determined that the synthesis of nanocomposites and material composites based on PBAT using chemical reduction and a mixture of metal Cu nanoparticles with CuO₂ , where Cu had a spherical morphology and Cu₂ O had a polyhedral morphology. The structural characterization of the NCs and MCs by FTIR and XRD showed that the Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and CuSO₄ reinforcements did not modify the structure of the PBAT. However, they did slightly alter the percentage of its crystallinity, which increased with NPs and decreased with CuSO₄ . On the other hand, the mechanical properties of the PBAT for both the NCs and MCs did not vary significantly with the addition of reinforcements, meaning that the PBAT maintained its mechanical properties. From the thermal tests, we concluded that reinforcing the PBAT did not fundamentally improve its thermal properties, it only increased its thermal stability a few degrees Celsius, which is not significant. Antimicrobial analyses showed that the Cu|Cu₂ O-NPs within the PBAT generated antibacterial activity against E. faecalis и С. mutans and excellent bactericidal properties against S. золотистый . CuSO₄ had a good bactericidal response against A. baumannii , Э. faecalis , and S mutans and an exceptional response against S. золотистый . The PBAT without loads did not present bactericidal properties when in contact with the bacterial strains. In general, the addition of loads into the PBAT generates bactericidal activity that the polymer does not possess by itself. The addition of CuSO₄ yielded the best antimicrobial response against the four strains used in this investigation. In the search for new applications for bionanocomposites, it will be essential to evaluate their antimicrobial response in food containers, medical devices, packaging, and other products; analyze their biocidal effects against other bacteria against which only NPs have antibacterial characteristics; and justify the expense associated with their synthesis.

Сокращения

Cu|Cu₂ O-NPs:

Copper/cuprous oxide nanoparticles

Cu-NPs:

Copper nanoparticles

CuSO₄ :

Copper sulfate

DSC:

Дифференциальная сканирующая калориметрия

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

MC:

Composite material

MCs-PBAT/CuSO₄ :

Composite materials of poly(butylene adipate-co-terephthalate) with copper sulfate

NC:

Nanocomposites

NCs-PBAT/Cu:

Nanocomposites of poly(butylene adipate-co-terephthalate) with copper nanoparticles

NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O:

Nanocomposites of poly(butylene adipate-co-terephthalate) with copper/cuprous oxide nanoparticles

PBAT:

Poly(butylene adipate-co-terephthalate)

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

TGA:

Термогравиметрический анализ

XRD:

Рентгеновская дифракция