Síntesis in situ de nanopartículas de plata en fibra de poliacrilonitrilo injertada con amino y su actividad antibacteriana

Preparación de fibra PAN-G-HBP

La fibra de PAN injertada se caracterizó por el método FTIR para verificar aún más los cambios de grupo en la reacción. En comparación con el espectro FTIR de la fibra PAN pura (Fig. 1a), aparecieron muchos nuevos picos de absorción característicos en el espectro FTIR de PAN-G-HBP (Fig. 1b-d). Por ejemplo, el pico de absorción está aproximadamente a 3400 cm ⁻¹ , que es la característica de la frecuencia de enlace de estiramiento N – H de los grupos amina primaria, secundaria y amida de la HBP. Además, la frecuencia de enlace de estiramiento C =O del grupo amida se absorbió a 1651 cm ⁻¹ [22, 28, 29]. La fuerte frecuencia de unión por tracción asimétrica C =O de COO– se puede observar a 1563 cm ⁻¹ , que se superpone con la deformación N – H y la vibración de tracción C – N. De acuerdo con el espectro de HBP (Fig. 1e), el nuevo exhibió picos de absorción de fibra PAN a 3436, 1651 y 1563 cm ⁻¹ puede atribuirse a la absorción característica de la HTA [30]. Todos estos resultados confirmaron que el amino HBP se injertó con éxito en PANF. La fuerte absorción a 2242 cm ⁻¹ , que es característico de la frecuencia de enlace de estiramiento C≡N, también existe en el espectro de PAN-G-HBP. Este hallazgo indica que solo ciertos grupos nitrilo de PAN participan en la reacción. La razón de esto se puede atribuir a la alta regularidad de la cadena molecular del poliacrilonitrilo, la reacción de injerto ocurre principalmente en la región amorfa. Después del injerto con HBP, se produce un impedimento estérico de mayor volumen, lo que dificulta que HBP penetre en la parte interna de la fibra [12, 29].

FT-IR de PAN a rallado con b 8 g / L, c 16 g / L y d 24 g / L de amino HBP e HBP

La fibra PAN y PAN-G-HBP también se caracterizaron por FE-SEM. La figura 2a muestra que la superficie de la fibra original es lisa, la estructura es densa y uniforme y las ranuras longitudinales son muy poco profundas [31, 32]. Después del injerto con amino HBP, la morfología de la superficie de la fibra (fig. 2b-d) se vuelve rugosa y desigual y tiene una estructura de núcleo hueco. Si el amino HBP es alto, entonces el diámetro de las fibras PAN es grande. A medida que el grado de aminación continúa aumentando, la morfología de la superficie se vuelve cada vez más rugosa, las abolladuras continúan profundizándose y ensanchándose, los pliegues son evidentes y el grado de daño continúa aumentando. La razón de esto es que la modificación de la aminación ocurre principalmente en la superficie de la fibra, después de la modificación de la aminación, el volumen de HBP es grande y ocupa más espacio de la fibra modificada, y la unión entre las cadenas macromoleculares de la fibra PAN se vuelve más floja. , haciendo que el espacio esté abarrotado [33].

Imágenes SEM de a PAN puro injertado con b 8 g / L, c 16 g / L y d 24 g / L de amino HBP

Archivo adicional 1:La Fig. S1 muestra la influencia de la concentración de HBP en el aumento de peso de la fibra. A medida que aumenta la concentración de amino HBP, aumenta el número de grupos amina. La cinética muestra que la tasa de ganancia de peso aumenta con el aumento de la concentración de amino HBP. Archivo adicional 1:La Fig. S2 muestra la resistencia a la rotura del injerto de fibra PAN con diferentes concentraciones de amino HBP. Con el aumento de la concentración de amino HBP, la resistencia a la rotura de la fibra PAN desciende. La razón de esto puede atribuirse a que la modificación de la aminación se produce principalmente en la superficie de la fibra. Después de la modificación de aminación, el volumen de amino HBP ocupa un espacio adicional de la fibra modificada y una parte del área cristalizada se destruyó, lo que provocó la reducción de la resistencia de la fibra [10, 12]. Por lo tanto, elegimos 16 g / L de amino HBP para el tratamiento de la fibra PAN para lograr el equilibrio entre la resistencia a la rotura y la relación de injerto.

Preparación de fibra PAN recubierta con Ag NP

El esquema 2 describe el principio de Ag NPs dispersos en fibra PAN. El Amino HBP se caracterizó por una estructura tridimensional y contenía un gran número de grupos amino y grupos amino primarios terminales, que son adecuados para iones metálicos complejos en agua [13, 34]. En condiciones de alta temperatura, los grupos amino pueden reducir Ag ⁺ para formar un coloide plateado sin reductores adicionales. Estos grupos amina en las fibras PAN pueden atraer iones de plata y proporcionar una fuente de electrones para el proceso de reducción. En esta reacción, HBP juega un papel importante en la reducción de iones de plata (Ag ⁺ ) para formar NP de plata (Ag ⁰ ), como un eficaz agente autoreductor y que previene la aglomeración de NP como estabilizador. Los NP de Ag están confinados en el interior de los polímeros y su crecimiento será restringido físicamente por las mallas [16]. Por tanto, el tamaño y la distribución del tamaño se pueden controlar de forma eficaz. Cuando se completa la reacción, las fibras amarillas se transforman gradualmente en marrones.

Ag NP recubierto en fibra PAN-G-HBP

Propiedades antibacterianas de la fibra PAN recubierta de Ag NP

Las muestras de PAN-G-HBP se sumergieron en AgNO ₃ 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 y 0,5 mM solución y marcados con a, b, c, dye, respectivamente, para proporcionar a los tejidos PAN propiedades antibacterianas. Después de tratarse en condiciones de vaporización caliente (100 ° C) durante 30 min, se recubrieron NP de Ag sobre la fibra. Archivo adicional 1:la Tabla S1 muestra el contenido de plata y las propiedades antibacterianas contra E. coli y S. aureus de las muestras. La fibra PAN no mostró actividad antibacteriana contra S. aureus o E. coli lo que indica que la fibra PAN sola no es suficiente para inhibir el crecimiento de bacterias. Atribuidas a sus propiedades catiónicas del grupo amino, las fibras PAN-G-HBP muestran cierta actividad antibacteriana [35]. Este hallazgo indica que el amino HBP puede potencialmente mejorar las propiedades antibacterianas de la fibra PAN. Por el contrario, la fibra PAN recubierta de Ag NPs exhibe una excelente actividad antibacteriana incluso con contenidos de Ag a 110 mg / kg. Cuando la concentración de plata alcanza los 270 mg / kg, las células apenas sobreviven en la fibra PAN. La durabilidad del lavado de las fibras PAN recubiertas de Ag NPS son factores muy importantes a considerar. Después de lavar 5 veces y 20 veces, se midió el contenido de plata y la actividad antibacteriana del PAN recubierto de Ag y los resultados se muestran en el archivo adicional 1:Tabla S2. A medida que aumenta el ciclo de lavado, el contenido de plata y la actividad antibacteriana del PAN recubierto de Ag disminuyen. Después de 20 ciclos de lavado, la fibra todavía mostró una reducción bacteriana del 99,11% y del 98,94% para S. aureus y E. coli , respectivamente. La excelente durabilidad de Ag NPs en fibras PAN se atribuye a las propiedades químicas y físicas únicas de HBP, puede atrapar iones de plata en la cavidad interna estrecha y evitar que se acumulen más a través de efectos de impedimento electrostático y estérico [24]. Elegimos la muestra c (tratada con AgNO ₃ 0,3 mM ) para una caracterización adicional.

Cinética de crecimiento de E. coli y S. aureus en presencia de PAN, PAN-G-HBP y fibras PAN recubiertas de Ag NPs (contenido de Ag de aproximadamente 270 mg / kg) se estudiaron para evaluar la cinética antibacteriana de la fibra PAN recubierta de Ag NPs. La figura 6 muestra los resultados. La densidad óptica de E. coli y S. aureus La suspensión bacteriana a 546 nm comenzó a aumentar después de 0,5 h. En presencia de amino HBP, la densidad óptica de la suspensión bacteriana de E. coli y S. aureus comenzó a aumentar en 1 h. Aproximadamente a las 6 h, la absorbancia de la suspensión bacteriana fue la misma que la de la muestra en blanco. Este resultado se debe a que el amino positivo inhibe el crecimiento de bacterias al comienzo del cultivo. A medida que aumenta el tiempo de cultivo, su efecto inhibidor desaparece gradualmente [23]. Por el contrario, la densidad óptica de la suspensión bacteriana de E. coli y S. aureus nunca aumentó durante todo el período experimental en presencia de fibra PAN recubierta de Ag NPs. Por lo tanto, la fibra PAN recubierta de Ag NPs no solo inhibe el crecimiento y la reproducción de bacterias, sino que también tiene un efecto bactericida hasta cierto punto.

Caracterización de fibra PAN recubierta con Ag NP

La morfología de la superficie de las fibras PAN recubiertas con PAN-G-HBP y Ag NPs se investigó más a fondo mediante FESEM. La Figura 3 representa las fibras PAN recubiertas con PAN-G-HBP y Ag NPs, mostrando una distinción evidente entre las dos fibras. La superficie de la fibra PAN-G-HBP era plana y lisa (Fig. 4a), mientras que se pueden encontrar muchas manchas blancas en la fibra PAN después de tratada con Ag ⁺ , y las manchas blancas se dispersaron uniformemente en la superficie de la fibra PAN.

Cinética de crecimiento de a E. coli y b S. aureus en presencia de PAN, PAN-G-HBP y fibras recubiertas de Ag

Imágenes FESEM de a PAN-G-HBP y b Fibras recubiertas de Ag NP

Las características químicas de la fibra PAN-G-HBP tratada con Ag NP se examinaron más a fondo mediante el análisis EDS de los elementos C, O y Ag para confirmar si las manchas blancas eran astilladas. La figura 5a y el archivo adicional 1:S3 muestran que se encontró un elemento Ag adicional en las fibras PAN que puede atribuirse a la unión de NP de Ag a las fibras PAN-G-HBP. La Figura 5b – d muestra C y N, incluido el elemento Ag de distribución uniforme en la superficie de la fibra PAN. En particular, la Ag se distribuyó uniformemente a través de las superficies de la fibra PAN y el resultado estuvo de acuerdo con las mediciones de FESEM.

Imágenes de mapeo EDS de elementos en a una fibra PAN con b Ag, c C y d N

Se realizaron análisis XPS y UV-vis DRS de las fibras PAN recubiertas de Ag NP para investigar más a fondo el proceso de recubrimiento de Ag NP. La Figura 6a muestra que las fibras PAN-G-HBP mostraron picos de O1 s , N1 s y C1 s . Nuevo Ag3 d Se observaron picos a 373 eV después del tratamiento con Ag ⁺ , que indica el recubrimiento del elemento Ag en la fibra PAN. Los NP de Ag se oxidan fácilmente cuando se exponen al aire sin una buena protección. En la Fig. 6b, dos picos a 367,68 y 373,72 eV se pueden atribuir a Ag3 d 3/2 y Ag3 d 5/2 de las NP de Ag metálicas respectivamente, lo que indica una buena protección de las NP de Ag por el amino HBP [36]. Los niveles de energía centrales de N1 s También se investigaron para investigar más a fondo el cambio de enlace amida en el proceso de recubrimiento, como se muestra en la Fig. 6c, d. Los N1 s El espectro del material forma tres picos a aproximadamente 399 eV, pertenecientes a –NH ₂ / –NH–, –C – N– y C≡N. La figura 6a, c, d muestra que las intensidades de N1 s disminuyó, y los picos de N1 s cambiaron a valores de energía más altos [13, 33]. Los resultados confirmaron la participación de grupos que contienen N en el proceso de recubrimiento. El espectro UV-vis DRS de las fibras PAN tiene un amplio pico de absorción UV a 409 nm (Archivo adicional 1:Fig. S4) debido a la absorción de Ag NPs [24]. Este hallazgo indica la existencia de NP de Ag en la superficie de la fibra PAN.

un Espectros XPS de alta resolución, b Ag 3 d , c N1 s para fibra PAN-G-HBP y d N1 s para fibra PAN recubierta de Ag