Антимикробная эффективность нанокомпозитов и композитов PBAT с медью, Cu/Cu₂O наночастицами и сульфатом меди

Аннотация

Мы синтезировали нанокомпозиты поли(бутилена адлата-ко-терефталата) (PBAT) и композитный материал включением коммерческих медных наночастиц (Cu-НЧ), химически восстановленных медных/кислородистых медных наночастиц (Cu|Cu₂O-НЧ) и сульфата меди (CuSO₄) соответственно. Cu|Cu₂O-НЧ произвели простым восстановительным путем и характеризовали рентгеновской дифракцией (XRD) и трансляционной электронной микроскопией (ТЭМ). Полученные порошки состояли из Cu/Cu₂O смеси, со сферическими Cu частицами ~40 нм и Cu₂O частицами ~150 нм. PBAT матрицы загружали 1, 3 или 5 м.% каждого аддитива через экс-ситу плавильно-смесительный процесс. Фурье-трансформ инфракрасная спектроскопия (FTIR), растяжение тестирование, дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC), термогравиметрический анализ (TGA) и агар-диффузионные анализы использовали для оценки структурных, термомеханических и антимикробных свойств. Результаты показывают, что аддитивы не изменяют химическую структуру PBAT и лишь незначительно повышают кристалличность. Механическое и термическое поведение остаются в основном неизменными, с незначительным ростом прочности на растяжение и термической стабильности при более высоких загрузках. Все формулировки демонстрировали ингибиторную активность против нерезистентных штаммов Enterococcus faecalis, Streptococcus mutans и Staphylococcus aureus. CuSO₄-базированный композит показал сильнейший биоцидный эффект, даже против резистентного патогена Acinetobacter baumannii. Эти выводы подсвечивают потенциал PBAT как биоразлагаемой антибактериальной платформы для биомедицинских приложений.

Введение

Традиционные пластики, производные от ископаемого топлива, в основном неразлагаемы и создают значительные экологические вызовы. В ответ научное сообщество интенсифицировало усилия по разработке биоразлагаемых полимеров, способных заменять нефтяные материалы, предлагая улучшенные функциональные свойства через нанотехнологии. Бионанокомпозиты — органические матрицы, диспергированные с неорганическими наноматериалами — демонстрируют превосходные оптические, термические, механические, магнитные и оптоэлектронные характеристики благодаря высокой удельной площади и реактивности наноразмерных наполнителей.

Поли(бутилен адлат-ко-терефталат) (PBAT) — линейный алифатический полиэстер, тесно напоминающий низкодистанционный полиэтилен в гибкости и обрабатываемости, но страдает от ограниченной механической прочности. Включение нанонаполнителей может устранить эту слабость и наделить PBAT мультифункциональными атрибутами, включая улучшенную термомеханическую производительность.

Контроль микробной колонизации — критическое требование для биомедицинских устройств, таких как катетеры и эндотрахеальные трубки. Внедрение антибактериальных наночастиц в полимерную матрицу может синергетически усилить внутренние антимикробные свойства материала, потенциально предотвращая инфекции, ассоциированные с устройствами. Несмотря на перспективные механические и биоразлагаемые профили PBAT, его применение в медицинских устройствах остается недостаточно изученным.

Металлические наночастицы, особенно медь, демонстрируют внутреннюю антибактериальную активность, зависящую от размера частицы, морфологии и поверхностной химии. Эффективность меди против широкого спектра патогенов — включая лекарственно-резистентные штаммы — продемонстрирована, однако систематических исследований, сравнивающих Cu, Cu/Cu₂O и CuSO₄ в PBAT, мало. Это исследование оценивает антимикробную производительность PBAT нанокомпозитов, содержащих Cu-НЧ, Cu|Cu₂O-НЧ и CuSO₄-базированный композит, вместе с комплексным анализом их структурных, механических и термических свойств.

Материалы и методы

Материалы

PBAT (Ecoflex, BASF, Ludwigshafen, Германия) служил полимерной матрицей. Коммерческие Cu-НЧ (99,99% чистоты, 100–200 нм, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) использовали напрямую. Cu|Cu₂O-НЧ синтезировали из CuSO₄·5H₂O, аскорбиновой кислоты и NaOH через протокол химического восстановления. CuSO₄ (Sigma-Aldrich) также использовали для подготовки композитного материала.

Синтез наночастиц химическим восстановлением

Следуя Khan et al., 0,1 М CuSO₄·5H₂O растворяли в воде (120 мл). Раствор нагревали до 80 °C в пропиленгликольной бане, пока 50 мл 10 мМ аскорбиновой кислоты добавляли. После 30 мин перемешивания ~390 об/мин, 30 мл 1 М NaOH вводили капельно. Смесь перемешивали дополнительные 2 ч, затем охлаждали, центрифугировали, вымывали водой и этанолом, и ультразвуковывали. Финальный продукт сушили при 60 °C овернайт.

Синтез нанокомпозитов

PBAT плавили при 140 °C, и 1, 3 или 5 м.% Cu-НЧ, Cu|Cu₂O-НЧ или CuSO₄ добавляли. Смесь гомогенизировали в торкметре (модель 835205, Brabender) при 60 об/мин 7 мин. Загрузки выше 5 м.% вели к флуоресцентным артефактам в Рамановских спектрах, поэтому этот лимит накладывали.

Характеризация

Структурные, механические, термические и антибактериальные свойства изучали. Cu-НЧ и Cu|Cu₂O-НЧ анализировали XRD и ТЭМ. PBAT нанокомпозиты и CuSO₄ композит оценивали через TGA, DSC, РЭМ, FTIR, XRD, растяжение тесты и агар-диффузионные антибактериальные анализы. Образцы пластин (100×100×1 мм) производили компрессионным литьем (160 °C, 110 бар, 5 мин) на гидравлическом прессе Labtech.

Морфологические и структурные свойства

Cu|Cu₂O-НЧ демонстрировали смесь сферических Cu (~40 нм) и полиэдрических Cu₂O (~150 нм) частиц. XRD подтвердил Cu (111, 200, 220) и Cu₂O (111, 200, 220) рефлексии. Cu-НЧ были сферическими (100–200 нм) с XRD пиками, соответствующими фцц Cu (JCPDS 85-1326). CuSO₄ композит не менял дифракционный паттерн PBAT, хотя низкоуровневые Cu и Cu₂O пики появлялись при более высоких загрузках.

Механические свойства (Растяжение тест)

ASTM D638 растяжение тесты (50 мм/мин, 1 кН нагрузочная ячейка) выполняли на пяти образцах на формулировку. Результаты указывают, что Cu-НЧ незначительно повысили прочность на растяжение и уменьшили относительное удлинение при более высоких загрузках, в то время как Cu|Cu₂O-НЧ и CuSO₄ композиты показывали минимальные изменения, сохраняя внутреннюю гибкость PBAT.

Термические свойства

TGA (20 °C–600 °C, 10 °C/мин, N₂) раскрыло, что Cu-НЧ подняли начальную температуру разложения (T_di) на 3–5 °C и слегка снизили финальную температуру разложения (T_df) по сравнению с чистым PBAT. Cu|Cu₂O-НЧ и CuSO₄ композиты дали похожие тренды, но с маргинально более низкими T_df. DSC (25–200 °C, 10 °C/мин, N₂) показал незначительный рост температуры кристаллизации и легкое снижение температуры плавления, отражая влияние нано-наполнителей на нуклеацию кристаллитов.

Антимикробные активности НК и МК через агар-диффузию

Тестировали четыре бактериальных штамма: Enterococcus faecalis (оральный изолят), Streptococcus mutans (ATCC 25175), Staphylococcus aureus (ATCC) и Acinetobacter baumannii (клинический изолят ABA 538). Качественный диффузионный тест выявил 3 м.% как оптимальную загрузку для дальнейшего количественного анализа. Количественные анализы выполняли в биобезопасном шкафу, измеряя колониеобразующие единицы (CFU/мл) при 2, 4, 6 и 8 ч. Результаты продемонстрировали значительную бактериальную ингибицию CuSO₄ композитами, особенно против резистентного A. baumannii (полная эррадикация к 8 ч). Cu|Cu₂O-НЧ эффективно подавляли E. faecalis и S. mutans, в то время как Cu-НЧ были наиболее потенты против S. aureus.

Результаты и обсуждение

Реометрический анализ подтвердил, что 7 мин плавильного смешивания достигли равновесного момента, указывая на полную дисперсию нано-наполнителей. Присутствие Cu-НЧ снизило момент на ~10%, предполагая улучшенную обрабатываемость. Cu|Cu₂O-НЧ и CuSO₄ загрузки имели незначительное влияние на момент, вероятно, из-за их большего размера частиц.

XRD паттерны нанокомпозитов показывают, что Cu и Cu₂O пики растут в интенсивности с увеличением наполнителя, в то время как кристаллические пики PBAT слегка уменьшаются, указывая на незначительное снижение общей кристалличности. Рассчитанный кристалличность индекс (X_c = I_c/(I_c + I_a)) увеличился для Cu-НЧ и Cu|Cu₂O-НЧ, но уменьшился для CuSO₄ композитов, консистентно с наблюдаемым термическим поведением.

FTIR спектры раскрыли неизменные частоты функциональных групп по всем формулировкам, подтверждая, что химических взаимодействий между цепями PBAT и неорганическими наполнителями не произошло.

Растяжение тесты раскрыли: Cu-НЧ подняли предельную прочность на растяжение с 19,2 МПа (чистый PBAT) до 20,4 МПа (5 м.%) в то время как снизили удлинение на разрыве с 35% до 28%. Cu|Cu₂O-НЧ и CuSO₄ композиты сохранили прочность на растяжение в пределах ±2% от чистого PBAT, указывая на сохранение механической целостности PBAT даже при 5 м.% загрузке.

TGA результаты демонстрируют незначительное улучшение термической стабильности (ΔT_di ≈ +4 °C) для всех композитов, с Cu-НЧ дающим наивысшее улучшение. Cu|Cu₂O-НЧ и CuSO₄ композиты показали похожие, но менее выраженные эффекты. Наблюдения консистентны с барьерной ролью неорганических частиц, задерживающих потерю массы путем препятствия теплопередачи.

Антибактериальные анализы подчеркивают превосходство CuSO₄ композитов, достигающих полной ингибиции A. baumannii, E. faecalis и S. mutans в течение 6 ч и S. aureus в течение 4 ч. Cu|Cu₂O-НЧ были высокоэффективны против S. aureus и E. faecalis, в то время как Cu-НЧ превосходили против S. aureus. Эти различия отражают вариативные профили ионного релиза и поверхностные химии трех медных аддитивов.

Заключение

Исследование демонстрирует, что PBAT может быть функционализирован медными наночастицами или сульфатом меди для производства биосовместимых, антибактериальных композитов без компрометации механической или термической производительности. CuSO₄ композиты демонстрировали наиболее мощную антимикробную активность, включая против резистентных штаммов, делая их привлекательными кандидатами для покрытий биомедицинских устройств. Будущая работа должна фокусироваться на ин-виво тестировании, долгосрочной биосовместимости и масштабировании производства для коммерческих приложений.

Аббревиатуры

Cu|Cu₂O-НЧ:

Медные/кислородистые медные наночастицы

Cu-НЧ:

Медные наночастицы

CuSO₄:

Сульфат меди

DSC:

Дифференциальная сканирующая калориметрия

FTIR:

Фурье-трансформ инфракрасная спектроскопия

MC:

Композитный материал

MCs-PBAT/CuSO₄:

Композитные материалы поли(бутилен адлат-ко-терефталат) с сульфатом меди

NCs:

Нанокомпозиты

NCs-PBAT/Cu:

Нанокомпозиты поли(бутилен адлат-ко-терефталат) с медными наночастицами

NCs-PBAT/Cu|Cu₂O:

Нанокомпозиты поли(бутилен адлат-ко-терефталат) с медными/кислородистыми медными наночастицами

PBAT:

Поли(бутилен адлат-ко-терефталат)

TEM:

Трансляционная электронная микроскопия

TGA:

Термогравиметрический анализ

XRD:

Рентгеновская дифракция