Otimização de Filmes Compósitos Óxido de Zinco/Alumina Porosa Anódica para Desempenho Antibiofilme Superior

Resumo

Este estudo relata a fabricação de filmes compósitos ZnO/alumina porosa anódica (PAA) via anodização em duas etapas seguida de deposição sol-gel de ZnO. Os filmes foram caracterizados sistematicamente usando XRD, TG/DTA, FT-IR, SEM, TEM, SAED e medições de ângulo de contato (CA) com água. A atividade antibiofilme contra Shewanella putrefaciens foi quantificada por adesão, contagem de unidades formadoras de colônia, SEM e CLSM. Resultados indicam que nanopartículas de ZnO (10–30 nm) nucleiam preferencialmente nos poros da PAA, e que uma segunda anodização de 40 min produz superfície altamente porosa e hidrofóbica que maximiza a carga de ZnO. Esta configuração produziu superfície super-hidrofóbica (CA > 150°) e a menor adesão de biofilme, demonstrando o desempenho antibiofilme mais efetivo entre as amostras testadas.

Introdução

Formação de biofilme em superfícies industriais leva a corrosão, deterioração de alimentos e perdas econômicas significativas. Atributos de superfície como rugosidade, microestrutura, hidrofilicidade e aditivos antimicrobianos ditam adesão bacteriana e maturação do biofilme. Alumina porosa anódica (PAA) oferece nanoporosidade ajustável, tornando-a atraente para aplicações biomédicas e de processamento de alimentos. Óxido de zinco (ZnO) é agente antibacteriano bem estabelecido; sua atividade é influenciada por estrutura cristalina, tamanho de partícula e química de superfície. Aumentar a hidrofobicidade de filmes de ZnO é essencial, pois superfícies hidrofílicas tendem a promover adesão bacteriana. Shewanella putrefaciens, organismo de deterioração psicrotrófico, serve como modelo relevante para estudar estratégias antibiofilme em preservação de cadeia fria de alimentos.

Materiais e Métodos

Materiais

Todos reagentes grau analítico; água desionizada condutividade <0,5 mS/cm. Shewanella putrefaciens ATCC 8071 e folhas de Al 99,99% (0,3 mm) da Shengshida Metal Materials Co., Ltd.

Preparação dos Filmes Compósitos ZnO/PAA

Filmes de Alumina Porosa Anódica (PAA)

Folhas de Al (10 × 30 mm²) polidas, desengorduradas e lavadas. Primeira anodização: 30 °C, 40 V, 90 min em ácido oxálico 0,3 mol/L. Remoção da camada barreira: 6% H₃PO₄ + 1,8% H₂CrO₄ a 60 °C por 4 h. Segunda anodização: mesmas condições por 0, 40, 60 ou 80 min para produzir geometrias de poros variadas.

Deposição de Óxido de Zinco

Volumes iguais de acetato de zinco 0,02 mol/L e NaOH 0,04 mol/L em etanol misturados a 70 °C por 5 min. Filmes PAA imersos sob vácuo −0,085 MPa, aquecidos à ebulição para formar sol azul, então enxaguados. Amostras secas (−0,085 MPa, 80 °C, 6 h) e calcinadas a 480 °C por 2 h. Finalmente, filmes modificados com 1,0% em peso Si69 em etanol a 65 °C por 2 h e secos a vácuo (−0,085 MPa, 40 °C, 12 h).

Caracterização

XRD (Rigaku Ultima IV, 40 kV, 50 mA) monitorou fases cristalinas. TG/DTA (Perkin Elmer Diamond) rastreou transições térmicas. FT-IR (Agilent Scimitar 2000) identificou grupos funcionais de superfície. SEM (Hitachi S-4800) e TEM (JEOL Jem-2100F) examinaram morfologia; SAED confirmou estrutura cristalina. CA medido por método de gota séssil (3,0 µL água desionizada). Ensaios de biofilme incluíram coloração violeta de cristal, contagem em placas, SEM e imagem CLSM.

Avaliação Antibiofilme

Suspensões bacterianas (OD₅₉₅ ≈ 0,5) diluídas 1:200 com 3% APW e incubadas com pedaços de filme 0,5 × 0,5 cm a 28 °C. Adesão de biofilme quantificada por extração de violeta de cristal (OD₅₉₅). Contagens de colônias obtidas por diluição serial e contagem em placas. SEM visualizou arquitetura de biofilme, enquanto CLSM diferenciou células vivas (verde) e mortas (vermelho) usando coloração acridina laranja/iodeto de propídio.

Resultados e Discussão

Caracterização do Filme de ZnO

XRD

Calcinação induziu transição de intermediários amorfos para ZnO wurtzita hexagonal cristalino. Picos a 31,70°, 34,52°, 36,31°, 47,68°, 56,82°, 62,92° e 67,92° corresponderam a planos (100), (002), (101), (102), (110), (103) e (112) (PDF # 36-1451). Afinamento de picos com temperaturas de calcinação mais altas indicou aumento de cristalinidade e crescimento de grão.

Análise Térmica

TG/DTA mostrou perda de massa de 68,6% até 100 °C (evaporação de etanol e água) e perda menor de 3,8% entre 100–400 °C (remoção de hidróxidos residuais). Nenhuma perda adicional acima de 400 °C confirmou estabilidade térmica da fase wurtzita.

FT-IR

ZnO não modificado exibiu alargamento de estiramento O-H (3600–3300 cm⁻¹) e picos relacionados a água. Pós-modificação com Si69 introduziu vibrações Si-O (~895 cm⁻¹) e reduziu sinais hidroxila, confirmando enxertia bem-sucedida e aumento de hidrofobicidade.

Microestrutura

SEM revelou que tamanho de poro da PAA expandiu com tempo de segunda anodização: 5–10 nm (0 min), 20–40 nm (40 min), 60–70 nm (80 min). Nanopartículas de ZnO (10–30 nm) nuclearam preferencialmente em poros menores, formando camadas densas em PAA de 40 min. TEM e SAED confirmaram estrutura wurtzita hexagonal das partículas de ZnO.

Hidrofobicidade

Filmes de ZnO não modificados foram hidrofílicos (CA < 90°). Após tratamento com Si69, CA aumentou dramaticamente; amostra PAA de 40 min alcançou super-hidrofobicidade (CA > 150°), atribuível a alta carga de ZnO e rugosidade.

Desempenho Antibiofilme

Adesão de biofilme seguiu modelo clássico de cinco estágios: adesão rápida (0–2 h), crescimento (2–12 h), maturação (12–24 h) e degeneração (>24 h). Compósito ZnO/PAA de 40 min exibiu menor adesão e contagens bacterianas em todos os pontos de tempo. Em contraste, amostra de 80 min, apesar de maior hidrofilicidade, mostrou maior acúmulo de biofilme devido a menor densidade de ZnO.

Imagens SEM confirmaram que amostra de 40 min apresentou substâncias poliméricas extracelulares (EPS) mínimas e menos colônias bacterianas, enquanto amostra de 80 min exibiu EPS denso e biofilmes maduros. CLSM corroborou achados, com superfície de 40 min mostrando maior proporção de células mortas (vermelho) e menos células vivas (verde) a 24–36 h.

Conclusões

Adaptando tempo de segunda anodização a 40 min, PAA fornece arquitetura de poro ótima que maximiza deposição de nanopartículas de ZnO e, após modificação com Si69, resulta em superfície super-hidrofóbica. Esta configuração inibe efetivamente adesão bacteriana inicial e interrompe maturação do biofilme, estabelecendo o compósito ZnO/PAA como material antibiofilme promissor para aplicações de processamento de alimentos e biomédicas.

Abreviações

AO

Acridina laranja

CA

Ângulo de contato com água

EPS

Exopolissacarídeos

FT-IR

Espectrômetro de infravermelho com transformada de Fourier

PAA

Alumina porosa anódica

PBS

Salina fosfatada tamponada

PI

Iodeto de propídio

SAED

Difração de elétrons de área selecionada

SEM

Microscopia eletrônica de varredura

TEM

Microscopia eletrônica de transmissão

TG/DTA

Análise termogravimétrica/diferencial térmica

XRD

Difração de raios X