Síntese In Situ de Nanopartículas de Prata em Fibras de Poliacrilonitrila Graftadas com Amino para Desempenho Antibacteriano Aprimorado

Resumo

Neste estudo, fibra de poliacrilonitrila (PAN) graftada com polímeros hiperramificados (HBP) amino foi preparada através de uma reação de amidatação em autoclave. A fibra PAN-G-HBP preparada pode complexar Ag⁺ através de grupos amino de HBP amino, e em condição de vapor quente, Ag⁺ pode ser convertido a Ag⁰ através da redutibilidade de HBP. Fibras PAN-G-HBP e revestidas com nanopartículas (NPs) de Ag foram então caracterizadas através de FTIR, UV-VIS DRS, MEV-CE, EDS, XPS e medição antibacteriana. Resultados de FTIR confirmaram que HBP foi graftado na superfície de fibra PAN. MEV-CE mostrou que após graftagem com HBP, o diâmetro médio de fibras PAN foi amplificado. EDS, XPS, e método UV-VIS DRS indicaram que sob condição de vapor quente e com a redutibilidade de HBP, NPs de Ag revestimento uniforme na PAN-G-HBP. Fibras revestidas com NPs de Ag exibem excelente propriedade antibacteriana contra Escherichia coli e Staphylococcus aureus. Mesmo sob 20 vezes condições de lavagem doméstica, a redução antibacteriana de fibra PAN revestida com NPs de Ag pode alcançar mais de 98,94%.

Introdução

Fibra de poliacrilonitrila (PAN), obtida por polimerização de radicais livres do monômero acrilonitrila, tem excelente resistência a intempéries, sol, ácido, e oxidante. Geralmente, fibra PAN é usada para substituir ou misturar tecido de lã e é adequada para pano de decoração interior, como cortinas. Produtos de fibra PAN são fofos, macios, com diâmetro ultra-fino e grande área superficial específica. Este produto é limitado em uso industrial devido à falta de grupos funcionais na estrutura molecular de PAN. Os grupos ciano de fibra PAN podem ser facilmente transformados em vários grupos ativos, como aminação, amidoximação, e sulfonação, então os grupos podem ser further graftados para obter fibras PAN funcionais e expandir sua aplicação em vários campos. Wang et al. investigaram a modificação de fibra PAN por polietilenimina hiperramificada (HPEI) através de hidrólise mediada por água e reação de amidatação em autoclave. As fibras obtidas puderam ser usadas com sucesso como suportes e estabilizadores na preparação de nanopartículas (NPs) de Au de pequeno tamanho. Ju et al. investigaram a poliamidoamina crescida na superfície da fibra PAN e descobriram que a fibra tratada pode ser extraída de água do mar através de adsorção de urânio. Nestes relatórios, HPEI são polímeros muito caros, controlar o graft de fibras PAN é sempre difícil e precisa de muitos passos.

Prata é um material amplamente usado e tem sido comprovado eficaz contra bactérias, fungos, e vírus. A fibra contendo NPs de Ag foi preparada para uma variedade de aplicações, incluindo biotêxteis, curativos de feridas, materiais de proteção biológica, roupas esportivas, e assim por diante. Estudos tentaram melhorar a combinação de NPs de Ag e fibra. Muitos agentes redutores, como glicose, borohidreto de sódio (NaBH₄), e polifenol, foram usados para a redução de Ag⁺ para obter NPs de Ag. A estratégia de revestimento em fibras depende principalmente de tecnologia de montagem baseada em solução, que inclui principalmente pad dry curing, pulverização, deposição in situ, e revestimento sol-gel. Além disso, acetato de polivinila, resina de poliuretano, e ésteres de poliacrílico foram essenciais para fixar NPs de prata nas fibras. Portanto, a aplicação de NPs de Ag na superfície de fibras é frequentemente difícil e requer muitos passos.

Em nossos estudos prévios, um polímero hiperramificado (HBP) amino contendo vários grupos amino e estrutura tridimensional esférica com nano-cavidades internas foi sintetizado, o grupo amino terminal pode facilmente produzir adsorção química com partículas de metais pesados e suas nano-cavidades foi aplicada à síntese controlada de NPs de Ag e NPs de ZnO.

Neste trabalho, fibras PAN revestidas com NPs de Ag foram preparadas para melhorar as propriedades antibacterianas de fibra PAN. Primeiro, fibras PAN foram usadas como matriz, e HBP amino foi graftado em fibras PAN para preparar fibras PAN modificadas com poliamina. Então, no processo de revestimento, HBPs foram usados como agente complexante para capturar Ag⁺ em solução aquosa, e em condição de vapor quente, Ag⁺ foi reduzido a Ag⁰ por grupo amino. HBP amino pode aprisionar NPs de Ag na cavidade interna confinada e prevenir sua agregação adicional devido à estrutura esférica tridimensional e nanocavidade interna. Comparado com métodos relatados, o processo sintético de HBP é simples e com baixo preço. No processo de revestimento, HBP como agente redutor e aglutinante para fixar NPs de Ag na superfície de fibras PAN para fornecer propriedades antimicrobianas, nenhum outro auxiliar foi usado.

Métodos

Materiais

Fibras PAN com comprimento de 2–3 cm foram obtidas da Suzhou Weiyuan na China. A copolimerização de acrilonitrila (95 wt%), metacrilato de metila, traço de sulfonato de sódio de estireno (5 wt%), e HBP amino foram preparados como descrito em nosso artigo. AgNO₃ (puro para análise) e BaSO₄ (pureza espectral) foram comprados da Guoyao Chemical Reagent, China. Staphylococcus aureus (S. aureus) (ATCC 6538) e Escherichia coli (E. coli) (ATCC 8099) foram obtidos da Shanghai Luwei Technology Co., Ltd. (China).

Síntese de Fibra PAN-G-HBP

Soluções de HBP de 20 mL de 4, 8, 16, e 24 g/L foram preparadas no autoclave, e 1-g de fibras PAN foram adicionadas à solução de HBP amino. As misturas foram seladas no autoclave a 120 °C por 2 h. Após resfriamento, a fibra PAN foi lavada por água e álcool etílico separadamente. A fibra foi então seca a 80 °C por 60 min para obter a fibra PAN-G-HBP.

Preparação de Fibra PAN-G-HBP Revestida com NPs de Ag

Uma certa quantidade de fibras PAN-G-HBP colocadas em solução aquosa de AgNO₃ de 0,1–0,5 mM por 60 min com razão de licor de 1:30. Subsequentemente, as fibras PAN-G-HBP foram vaporizadas (100 °C) por 30 min usando um motor a vapor (BTZS10A, China). Então, as fibras foram lavadas por água deionizada e secas a 60 °C para produzir as fibras PAN revestidas com NPs de Ag.

Medidas

Análise de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) foi realizada usando um espectrofotômetro FTIR Nicolet 5700 (Thermo Electron Corporation, EUA). A morfologia de superfície de fibras foi caracterizada usando Microscópio Eletrônico de Varredura de Emissão de Campo (MEV-CE) (Scios DualBeam, Czechia) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS) (Carl Zeiss, EVO 15, Oberkochen, Alemanha). As propriedades de tração de fibras foram estudadas usando máquina de teste de fibra (ZEL-A-2, Shanghai, China). Espectroscopia de reflexão difusa ultravioleta-visível (UV-vis DRS) de fibra PAN revestida com NPs de Ag foi realizada através de UV-2550 (Shimadzu, Japão), com pós de BaSO₄ como referência. Análises de espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS) foram realizadas usando um espectrômetro de elétrons XSAM 800 (Kratos, UK). O conteúdo de Ag nas fibras PAN foi medido usando um Espectrômetro de Emissão Atômica de Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-AES) Vista MPX (Varian, EUA). O conteúdo de Ag foi calculado usando a Eq. (1).

A atividade antimicrobiana de PAN, PAN-G-HBP, e fibras PAN revestidas com NPs de Ag foi testada estudando a cinética de crescimento de S. aureus e E. coli. Fibras a 0,8 g foram colocadas separadamente na suspensão bacteriana de S. aureus e E. coli. Elas foram cultivadas seladas no oscilador a 37 °C por 6 h e amostradas a cada 30 min. A densidade óptica da suspensão bacteriana a 546 nm foi medida usando um espectrofotômetro ultravioleta-visível (UV-vis) (UV-3010, Hitachi, Japão). A taxa antimicrobiana das fibras acima foi testada contra E. coli e S. aureus através do método de frasco agitado seguindo GB/T20944.3-2008 (China). A durabilidade de lavagem de fibras PAN revestidas com NPs de Ag foi avaliada segundo GB/T 20944.3-2008 (China). A fibra foi colocada em um recipiente de aço inoxidável contendo 150 mL de solução de detergente padrão AATCC WOB 0,2% (p/v) e 10 esferas de aço por 45 min, a temperatura foi 40 °C. Este processo foi equivalente a cinco ciclos de lavagem para lavagem doméstica. O conteúdo de Ag e atividade antibacteriana após 5 e 20 ciclos de lavagem foi determinado.

Resultados e Discussão

Preparação e Caracterização de Fibra PAN Graftada com Amino

A fibra PAN é resistente à corrosão e resistente, com excelente resistência mecânica e estabilidade. Além disso, a fibra é rica em grupos ciano, que são facilmente convertidos em várias partes funcionais (grupos carboxil, amida, ou amidoxima). Os grupos nitrila na superfície de fibras PAN foram hidrolisados e então amidatados com HBP amino (Esquema 1) para obter fibras PAN-G-HBP. A fibra PAN foi graft-modificada com HBP amino na concentração de 0, 8, 16, e 24 g/L. A solução aquosa de HBP amino é alcalina devido às propriedades catiônicas do grupo amino. Se a concentração é alta, então o alcalino é forte. Na solução alcalina em condição de alta temperatura e pressão, a porção-CN da fibra PAN é hidrolisada para formar grupo COO⁻. Então, COO⁻ reage com o grupo amino terminal do HBP amino para formar grupo –CO–NH–, e nesta reação, a fibra PAN branca gradualmente mudou para amarelo-claro. Assim, o HBP amino foi graftado com sucesso na superfície de fibras PAN.

A fibra PAN graftada foi caracterizada pelo método FTIR para verificar further as mudanças de grupo na reação. Comparado com o espectro FTIR de fibra PAN pura (Fig. 1a), muitos novos picos de absorção característicos apareceram no espectro FTIR de PAN-G-HBP (Fig. 1b–d). Por exemplo, o pico de absorção está em aproximadamente 3400 cm⁻¹, que é característico da frequência de ligação N-H de estiramento de aminas primárias, secundárias, e grupos amida do HBP. Além disso, a frequência de ligação C=O de estiramento do grupo amida foi absorvida a 1651 cm⁻¹. A forte frequência de ligação C=O assimétrica de tração de COO⁻ pode ser observada a 1563 cm⁻¹, que se sobrepõe com deformação N-H e vibração de tração C-N. De acordo com o espectro de HBP (Fig. 1e), os novos picos de absorção exibidos de fibra PAN a 3436, 1651 e 1563 cm⁻¹ podem ser atribuídos à absorção característica de HBP. Todos estes resultados confirmaram que HBP amino foi graftado com sucesso em PANF. A forte absorção a 2242 cm⁻¹, que é característica da frequência de ligação C≡N de estiramento, também existe no espectro de PAN-G-HBP. Esta descoberta indica que apenas certos grupos nitrila de PAN participam na reação. A razão para isso pode ser atribuída à alta regularidade de cadeia molecular de poliacrilonitrila, a reação de graftagem ocorre principalmente na região amorfa. Após graftagem com HBP, maior impedimento estérico de volume é produzido, dificultando a penetração de HBP na parte interna da fibra.

A fibra PAN e a fibra PAN-G-HBP também foram caracterizadas por MEV-CE. A Figura 2a mostra que a superfície da fibra original é lisa, a estrutura é densa e uniforme, e sulcos longitudinais são muito rasos. Após graftagem com HBP amino, a morfologia de superfície da fibra (Fig. 2b–d) torna-se áspera e irregular e tem estrutura de núcleo oco. Se o HBP amino é alto, então o diâmetro das fibras PAN é grande. À medida que o grau de aminação continua a aumentar, a morfologia de superfície torna-se increasingly áspera, os entalhes continuam a se aprofundar e alargar, as dobras são evidentes, e o grau de dano continua a aumentar. A razão para isso é que a modificação de aminação ocorre principalmente na superfície da fibra, após a modificação de aminação, o volume de HBP é grande e ocupa mais espaço da fibra modificada, e a ligação entre as cadeias macromoleculares da fibra PAN torna-se mais frouxa, tornando o espaço apertado.

Arquivo Adicional 1: Fig. S1 mostra a influência da concentração de HBP no ganho de peso da fibra. À medida que a concentração de HBP amino aumenta, o número de grupos amino aumenta. A cinética mostra que a taxa de ganho de peso aumenta com o aumento da concentração de HBP amino. Arquivo Adicional 1: Fig. S2 mostra a resistência à ruptura da fibra PAN graftada com diferentes concentrações de HBP amino. Com o aumento da concentração de HBP amino, a resistência à ruptura de fibra PAN desce. A razão para isso pode ser atribuída que a modificação de aminação ocorre principalmente na superfície da fibra. Após a modificação de aminação, o volume de HBP amino ocupa espaço adicional da fibra modificada, e uma parte da área cristalizada foi destruída, levando à redução na resistência da fibra. Portanto, escolhemos 16 g/L HBP amino para o tratamento da fibra PAN para alcançar o equilíbrio entre a resistência à ruptura e taxa de graftagem.

Preparação de Fibra PAN Revestida com NPs de Ag

O Esquema 2 descreve o princípio de NPs de Ag dispersas em fibra PAN. HBP amino foi caracterizado por uma estrutura tridimensional e continha um grande número de grupos amino e grupos amino primários terminais, que são adequados para complexar íon metálico em água. Sob condição de alta temperatura, grupos amino podem reduzir Ag⁺ para formar um coloide de prata sem redutores adicionais. Estes grupos amino nas fibras PAN podem atrair íons de prata e fornecer uma fonte de elétrons para o processo de redução. Nesta reação, HBP desempenha um papel importante na redução de íons de prata (Ag⁺) para formar NPs de prata (Ag⁰), como um agente auto-redutor eficiente e prevenindo a aglomeração de NPs como estabilizador. Os NPs de Ag são confinados no interior dos polímeros, e seu crescimento será fisicamente restringido pelas malhas. Portanto, o tamanho e distribuição de tamanho podem ser efetivamente controlados. Quando a reação é completada, as fibras amarelas gradualmente mudam para marrom.

Propriedades Antibacterianas de Fibra PAN Revestida com NPs de Ag

Amostras PAN-G-HBP foram imersas em solução de AgNO₃ de 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, e 0,5 mM, e marcadas com a, b, c, d, e e, respectivamente, para fornecer tecidos PAN com propriedades antibacterianas. Após tratadas em condição de vapor quente (100 °C) por 30 min, NPs de Ag foram revestidas na fibra. Arquivo Adicional 1: Tabela S1 mostra o conteúdo de prata e propriedades antibacterianas contra E. coli e S. aureus das amostras. A fibra PAN não mostrou atividade antibacteriana contra S. aureus ou E. coli indicando que a fibra PAN sozinha não é suficiente para inibir o crescimento de bactérias. Atribuído às suas propriedades catiônicas do grupo amino, as fibras PAN-G-HBP mostram certa atividade antibacteriana. Esta descoberta indica que HBP amino pode potencialmente melhorar as propriedades antibacterianas da fibra PAN. Em contraste, a fibra PAN revestida com NPs de Ag exibe excelente atividade antibacteriana mesmo com conteúdos de Ag a 110 mg/kg. Quando a concentração de prata atinge 270 mg/kg, células mal sobrevivem na fibra PAN. A durabilidade de lavagem das fibras PAN revestidas com NPs de Ag são fatores muito importantes a considerar. Após lavagem 5 vezes e 20 vezes, o conteúdo de prata e atividade antibacteriana da fibra PAN revestida com Ag foram medidos e os resultados são mostrados no Arquivo Adicional 1: Tabela S2. À medida que o ciclo de lavagem aumenta, o conteúdo de prata e atividade antibacteriana da fibra PAN revestida com Ag diminui. Após 20 ciclos de lavagem, a fibra ainda mostrou uma redução bacteriana de 99,11% e 98,94% para S. aureus e E. coli, respectivamente. A excelente durabilidade de NPs de Ag em fibras PAN é atribuída às propriedades químicas e físicas únicas de HBP, ele pode aprisionar íons de prata na cavidade interna estreita, e prevenir sua agregação adicional através de efeitos de impedimento estérico e eletrostático. Escolhemos amostra c (tratada por AgNO₃ 0,3-mM) para further caracterização.

Cinética de crescimento de E. coli e S. aureus na presença de PAN, PAN-G-HBP, e fibras PAN revestidas com NPs de Ag (conteúdo de Ag de aproximadamente 270 mg/kg) foram estudadas para avaliar a cinética antibacteriana da fibra PAN revestida com NPs de Ag. A Figura 6 mostra os resultados. A densidade óptica da suspensão bacteriana de E. coli e S. aureus a 546 nm começou a aumentar após 0,5 h. Na presença de HBP amino, a densidade óptica da suspensão bacteriana de E. coli e S. aureus começou a aumentar em 1 h. Aproximadamente 6 h, a absorbância da suspensão bacteriana foi a mesma que a da amostra em branco. Este resultado é porque o amino positivo inibe o crescimento de bactérias no início da cultura. À medida que o tempo de cultura aumenta, seu efeito inibitório gradualmente desaparece. Ao contrário, a densidade óptica da suspensão bacteriana de E. coli e S. aureus nunca aumentou durante todo o período experimental na presença de fibra PAN revestida com NPs de Ag. Portanto, a fibra PAN revestida com NPs de Ag não apenas inibe o crescimento e reprodução de bactérias mas também exerce um efeito bactericida até certo ponto.

Caracterização de Fibra PAN Revestida com NPs de Ag

A morfologia de superfície de PAN-G-HBP e fibras PAN revestidas com NPs de Ag foi further investigada através de MEV-CE. A Figura 3 descreve PAN-G-HBP e fibras PAN revestidas com NPs de Ag, mostrando uma distinção evidente entre as duas fibras. A superfície da fibra PAN-G-HBP era plana e lisa, enquanto muitas manchas brancas podem ser encontradas na fibra PAN após tratada com Ag⁺, e as manchas brancas foram uniformemente dispersas na superfície da fibra PAN.

As características químicas da fibra PAN-G-HBP tratada com NPs de Ag foram further examinadas através da análise EDS de elementos C, O, e Ag para confirmar se as manchas brancas eram prata. Figura 5a e Arquivo Adicional 1: S3 mostram que um elemento Ag adicional foi encontrado nas fibras PAN que pode ser atribuído à fixação de NPs de Ag nas fibras PAN-G-HBP. Figura 5b–d descreve C e N incluindo a distribuição uniforme de elemento Ag na superfície da fibra PAN. Notavelmente, Ag foi distribuído uniformemente através das superfícies de fibra PAN, e o resultado estava em boa concordância com as medições de MEV-CE.

Análises de XPS e UV-vis DRS das fibras PAN revestidas com NPs de Ag foram conduzidas para further investigar o processo de revestimento de NPs de Ag. Figura 6a mostra que fibras PAN-G-HBP exibiram picos de O1s, N1s, e C1s. Novos picos Ag3d a 373 eV foram observados após tratamento com Ag⁺, indicando o revestimento de elemento Ag na fibra PAN. NPs de Ag são facilmente oxidadas quando expostas ao ar sem boa proteção. Na Fig. 6b, dois picos a 367,68 e 373,72 eV podem ser atribuídos a Ag3d3/2 e Ag3d5/2 de NPs de Ag metálicas respectivamente, indicando uma boa proteção de NPs de Ag por HBP amino. Os níveis de energia de núcleo de N1s também foram investigados para further investigar a mudança de ligação amida no processo de revestimento, como mostrado na Fig. 6c, d. O espectro N1s do material forma três picos em aproximadamente 399 eV, pertencentes a –NH₂/–NH–, –C–N–, e C≡N. Figura 6a, c, d mostra que as intensidades de N1s diminuíram, e os picos de N1s deslocaram-se para valores de energia mais altos. Os resultados confirmaram a participação de grupos contendo N no processo de revestimento. O espectro UV-vis DRS de fibras PAN tem um pico de absorção UV amplo a 409 nm (Arquivo Adicional 1: Fig. S4) devido à absorção de NPs de Ag. Esta descoberta indica a existência de NPs de Ag na superfície da fibra PAN.

Conclusão

Como grupos ciano de fibra PAN podem ser transformados em grupos ativos, nesta pesquisa a fibra PAN foi graftada com HBP amino através de uma reação de amidatação em autoclave. A PAN-G-HBP obtida tem um diâmetro grande e continha vários grupos amino devido à reação entre PAN e HBP amino. Grupos amino na fibra PAN poderiam efetivamente complexar Ag⁺ em solução aquosa e sob condição de vapor quente, o Ag⁺ pode converter a NPs de Ag⁰ através da redutibilidade e proteção de HBP amino. As medições confirmaram que NPs de Ag foram sintetizadas e uniformemente distribuídas na superfície de fibra PAN. O conteúdo de Ag da fibra PAN a 270 mg/kg mostra boas propriedades antibacterianas e laváveis. Fibra PAN revestida com NPs de Ag não apenas inibe o crescimento e reprodução de bactérias mas também exerce um efeito bactericida até certo ponto.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Os conjuntos de dados que apoiam as conclusões deste artigo estão incluídos dentro do artigo.

Abreviações

HBP:

Polímero hiperramificado

PAN:

Poliacrilonitrila

NPs:

Nanopartículas

PAN-G-HBP:

Polímero hiperramificado graftado Poliacrilonitrila

FTIR:

Espectrômetro de infravermelho com transformada de Fourier

UV-VIS DRS:

Espectro de reflexão difusa ultravioleta-visível

MEV-CE:

Microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo

EDS:

Sistema diferencial eletrônico

XPS:

Espectroscopia fotoeletrônica de raios X

S. aureus:

Staphylococcus aureus

E. coli:

Escherichia coli

HPEI:

Polietilenimina

ICP-AES:

Espectrômetro de emissão atômica de plasma acoplado indutivamente