Оптимизация композитных пленок ZnO/пористый анодный аллюминий для превосходной антибиофильмовой активности

Аннотация

В данном исследовании сообщается о фабрикации композитных пленок ZnO/пористый анодный аллюминий (PAA) методом двухступенчатой анодизации с последующим соль-гель осаждением ZnO. Пленки систематически характеризовали XRD, TG/DTA, FT-IR, SEM, TEM, SAED и измерениями угла смачивания водой (CA). Антибиофильмовая активность против Shewanella putrefaciens kvantифицировали по адгезии, количеству колоний (CFU), SEM и CLSM. Результаты показывают, что наночастицы ZnO (10–30 нм) предпочтительно нуклеируются в порах PAA, а 40-минутная вторая анодизация дает высокопористую гидрофобную поверхность, максимизирующую загрузку ZnO. Эта конфигурация дала сверхгидрофобную поверхность (CA > 150°) и наименьшую адгезию биопленки, демонстрируя наиболее эффективную антибиофильмовую активность среди испытуемых образцов.

Введение

Формирование биопленок на промышленных поверхностях приводит к коррозии, порче продуктов питания и значительным экономическим потерям. Поверхностные атрибуты — шероховатость, микроструктура, гидрофильность и антимикробные добавки — диктуют бактериальную адгезию и созревание биопленки. Пористый анодный аллюминий (PAA) предлагает настраиваемую нанопористость, делая его привлекательным для биомедицинских и пищевых применений. Оксид цинка (ZnO) — устоявшееся антибактериальное вещество; его активность зависит от кристаллической структуры, размера частиц и поверхностной химии. Повышение гидрофобности ZnO пленок критично, так как гидрофильные поверхности способствуют бактериальной адгезии. Shewanella putrefaciens, психротрофный организм порчи, служит релевантной моделью для изучения антибиофильмовых стратегий в холодильных цепочках сохранения пищи.

Материалы и методы

Материалы

Все реактивы аналитическогоgrades; деионизированная вода с проводимостью <0,5 мС/см. Shewanella putrefaciens ATCC 8071 и фольга Al 99,99% (0,3 мм) от Shengshida Metal Materials Co., Ltd.

Подготовка композитных пленок ZnO/PAA

Пористый анодный аллюминий (PAA) пленки

Фольга Al (10×30 мм²) полировали, обезжиривали и вымывали. Первая анодизация: 30 °C, 40 В, 90 мин в 0,3 моль/л щавелевой кислоте. Удаление барьерного слоя: 6 масс.% H₃PO₄ + 1,8 масс.% H₂CrO₄ при 60 °C 4 часа. Вторая анодизация: идентичные условия 0, 40, 60 или 80 мин для получения различной пористости.

Осаждение оксида цинка

Равные объемы 0,02 моль/л ацетата цинка и 0,04 моль/л NaOH в этаноле смешивали при 70 °C 5 мин. PAA пленки погружали при вакууме −0,085 МПа, нагревали до кипения для формирования голубого соля, затем промывали. Образцы сушили (−0,085 МПа, 80 °C, 6 ч) и кальдинировали при 480 °C 2 ч. Наконец, пленки модифицировали 1,0 масс.% Si69 в этаноле при 65 °C 2 ч и вакуумно сушили (−0,085 МПа, 40 °C, 12 ч).

Характеризация

XRD (Rigaku Ultima IV, 40 кВ, 50 мА) контролировал кристаллические фазы. TG/DTA (Perkin Elmer Diamond) отслеживал тепловые переходы. FT-IR (Agilent Scimitar 2000) идентифицировал поверхностные функциональные группы. SEM (Hitachi S-4800) и TEM (JEOL Jem-2100F) изучали морфологию; SAED подтверждал кристаллическую структуру. CA измеряли сессильным методом (3,0 мкл деионизированной воды). Биофильмовые анализы включали кристаллично-фиолетовое окрашивание, посадку на агар, SEM и CLSM визуализацию.

Оценка антибиофильмовой активности

Бактериальные суспензии (OD₅₉₅ ≈ 0,5) разбавляли 1:200 с 3% APW и инкубировали с кусочками пленок 0,5×0,5 см при 28 °C. Адгезия биопленки kvantифицировали экстракцией кристаллично-фиолетового (OD₅₉₅). Колониеподсчет — серийными разбавлениями и посадкой. SEM визуализировал архитектуру биопленки, а CLSM дифференцировал живые (зеленые) и мертвые (красные) клетки окрашиванием акридиновым оранжевым/пропидиевым йодидом.

Результаты и обсуждение

Характеристика ZnO пленок

XRD

Кальцинация вызвала переход от аморфных промежуточных продуктов к кристаллическому гексагональному урутитовому ZnO. Пики при 31,70°; 34,52°; 36,31°; 47,68°; 56,82°; 62,92°; 67,92° соответствовали плоскостям (100), (002), (101), (102), (110), (103), (112) (PDF # 36-1451). Острение пиков при более высоких температурах кальцинации указывало на рост кристалличности и зерен.

Термический анализ

TG/DTA показал потерю массы 68,6% до 100 °C (испарение этанола и воды) и незначительную потерю 3,8% между 100–400 °C (удаление остаточных гидроксидов). Отсутствие потерь выше 400 °C подтвердило термическую стабильность урутитовой фазы.

FT-IR

Немодифицированный ZnO демонстрировал широкое растяжение O-H (3600–3300 см⁻¹) и водяные пики. После модификации Si69 появились Si–O колебания (~895 см⁻¹) и уменьшились гидроксильные сигналы, подтверждая успешное графтирование и повышенную гидрофобность.

Микроструктура

SEM показал, что размер пор PAA расширялся со временем второй анодизации: 5–10 нм (0 мин), 20–40 нм (40 мин), 60–70 нм (80 мин). Наночастицы ZnO (10–30 нм) предпочтительно нуклеировались на меньших порах, формируя плотные слои на 40-минутном PAA. TEM и SAED подтвердили гексагональную урутитовую структуру ZnO частиц.

Гидрофобность

Немодифицированные ZnO пленки были гидрофильными (CA < 90°). После обработки Si69 CA резко возрастал; образец с 40-минутным PAA достиг сверхгидрофобности (CA > 150°), благодаря высокой загрузке ZnO и шероховатости.

Антибиофильмовая эффективность

Адгезия биопленки следовала классической пятистадийной модели: быстрая прикрепляемость (0–2 ч), рост (2–12 ч), созревание (12–24 ч) и деградация (>24 ч). 40-минутный ZnO/PAA композит демонстрировал наименьшую адгезию и бактериальные счеты во все временные точки. В отличие от этого, 80-минутный образец, несмотря на более высокую гидрофильность, показывал наибольшее накопление биопленки из-за более низкой плотности ZnO.

SEM изображения подтвердили, что 40-минутный образец имел минимальные экстрацеллюлярные полимерные вещества (ЭПВ) и меньше бактериальных колоний, тогда как 80-минутный образец демонстрировал плотные ЭПВ и зрелые биопленки. CLSM подтвердил эти выводы: на 40-минутной поверхности при 24–36 ч наблюдалось большее количество мертвых клеток (красные) и меньше живых (зеленые).

Заключение

Настройка времени второй анодизации до 40 мин дает PAA оптимальную пористую архитектуру, максимизирующую осаждение наночастиц ZnO и, после модификации Si69, образующую сверхгидрофобную поверхность. Эта конфигурация эффективно подавляет начальную бактериальную адгезию и разрушает созревание биопленки, устанавливая ZnO/PAA композит как перспективный антибиофильмовый материал для пищевой переработки и биомедицинских применений.

Аббревиатуры

AO:

Акридиновый оранжевый

CA:

Угол смачивания водой

EPS:

Эксполисахариды

FT-IR:

Фурье-преобразование инфракрасной спектроскопии

PAA:

Пористый анодный аллюминий

PBS:

Фосфатно-буферный раствор

PI:

Пропидиевый йодид

SAED:

Выбранная область электронной дифракции

SEM:

Растровая электронная микроскопия

TEM:

Проницающая электронная микроскопия

TG/DTA:

Термогравиметрический/дифференциально-термический анализ

XRD:

Рентгеновская дифракция