Optimización de películas compuestas ZnO/alúmina anódica porosa para rendimiento antibiofilm superior

Resumen

Este estudio reporta la fabricación de películas compuestas ZnO/alúmina anódica porosa (PAA) mediante anodización de dos pasos seguida de deposición sol-gel de ZnO. Las películas se caracterizaron sistemáticamente usando XRD, TG/DTA, FT-IR, SEM, TEM, SAED y mediciones de ángulo de contacto (CA) con agua. La actividad antibiofilm contra Shewanella putrefaciens se cuantificó por adhesión, recuento de unidades formadoras de colonias, SEM y CLSM. Los resultados indican que las nanopartículas de ZnO (10-30 nm) nuclean preferentemente en poros de PAA, y que una segunda anodización de 40 min produce una superficie altamente porosa e hidrofóbica que maximiza la carga de ZnO. Esta configuración produjo una superficie superhidrofóbica (CA > 150°) y la menor adhesión de biofilm, demostrando el rendimiento antibiofilm más efectivo entre las muestras probadas.

Antecedentes

La formación de biofilm en superficies industriales conduce a corrosión, deterioro de alimentos y pérdidas económicas significativas. Atributos de superficie como rugosidad, microestructura, hidrofilicidad y aditivos antimicrobianos dictan la adhesión bacteriana y maduración del biofilm. La alúmina anódica porosa (PAA) ofrece nanoporosidad ajustable, haciéndola atractiva para aplicaciones biomédicas y de procesamiento de alimentos. El óxido de zinc (ZnO) es un agente antibacteriano bien establecido; su actividad está influenciada por estructura cristalina, tamaño de partícula y química de superficie. Mejorar la hidrofobicidad de películas de ZnO es esencial, ya que las superficies hidrofílicas tienden a promover la adhesión bacteriana. Shewanella putrefaciens, un organismo de deterioro psicrótrofo, sirve como modelo relevante para estudiar estrategias antibiofilm en preservación de cadena de frío.

Materiales y Métodos

Materiales

Todos los reactivos fueron grado analítico; agua desionizada tuvo conductividad <0,5 mS/cm. Shewanella putrefaciens ATCC 8071 y láminas de Al 99,99 % (0,3 mm) se obtuvieron de Shengshida Metal Materials Co., Ltd.

Preparación de Películas Compuestas ZnO/PAA

Películas de Alúmina Anódica Porosa (PAA)

Láminas de Al (10 × 30 mm²) se pulieron, desengrasaron y lavaron. Primera anodización: 30 °C, 40 V, 90 min en ácido oxálico 0,3 mol/L. Remoción de capa barrera: 6 % en peso H₃PO₄ + 1,8 % en peso H₂CrO₄ a 60 °C por 4 h. Segunda anodización: condiciones idénticas por 0, 40, 60 u 80 min para producir geometrías de poro variables.

Deposición de Óxido de Zinc

Volúmenes iguales de acetato de zinc 0,02 mol/L y NaOH 0,04 mol/L en etanol se mezclaron a 70 °C por 5 min. Las películas PAA se sumergieron bajo vacío de −0,085 MPa, se calentaron a ebullición para formar un sol azul, luego se enjuagaron. Las muestras se secaron (−0,085 MPa, 80 °C, 6 h) y calcinaron a 480 °C por 2 h. Finalmente, las películas se modificaron con 1,0 % en peso Si69 en etanol a 65 °C por 2 h y secado al vacío (−0,085 MPa, 40 °C, 12 h).

Caracterización

XRD (Rigaku Ultima IV, 40 kV, 50 mA) monitoreó fases cristalinas. TG/DTA (Perkin Elmer Diamond) rastreó transiciones térmicas. FT-IR (Agilent Scimitar 2000) identificó grupos funcionales de superficie. SEM (Hitachi S-4800) y TEM (JEOL Jem-2100F) examinaron morfología; SAED confirmó estructura cristalina. CA se midió con método de gota sesil (3,0 µL agua desionizada). Ensayos de biofilm incluyeron tinción violeta de cristal, recuentos en placa, SEM y obtención de imágenes CLSM.

Evaluación Antibiofilm

Suspensiones bacterianas (OD₅₉₅ ≈ 0,5) se diluyeron 1:200 con 3 % APW e incubaron con piezas de película de 0,5 × 0,5 cm a 28 °C. La adhesión de biofilm se cuantificó por extracción de violeta de cristal (OD₅₉₅). Los recuentos de colonias se obtuvieron por dilución seriada y recuentos en placa. SEM visualizó la arquitectura del biofilm, mientras que CLSM diferenció células vivas (verde) y muertas (rojo) usando tinción naranja de acridina/ioduro de propidio.

Resultados y Discusión

Caracterización de Películas ZnO

XRD

La calcinación indujo una transición de intermedios amorfos a ZnO hexagonal wurtzita cristalino. Picos a 31,70°, 34,52°, 36,31°, 47,68°, 56,82°, 62,92° y 67,92° correspondieron a planos (100), (002), (101), (102), (110), (103) y (112) (PDF # 36-1451). El agudizado de picos con temperaturas de calcinación más altas indicó creciente cristalinidad y crecimiento de grano.

Análisis Térmico

TG/DTA mostró una pérdida de masa del 68,6 % hasta 100 °C (evaporando etanol y agua) y una pérdida menor del 3,8 % entre 100-400 °C (remoción de hidroxilos residuales). Sin pérdida adicional por encima de 400 °C confirmó estabilidad térmica de la fase wurtzita.

FT-IR

ZnO sin modificar mostró estiramiento O-H amplio (3600-3300 cm⁻¹) y picos relacionados con agua. La modificación post-Si69 introdujo vibraciones Si-O (~895 cm⁻¹) y redujo señales hidroxilo, confirmando injerto exitoso e hidrofobicidad aumentada.

Microestructura

SEM reveló que el tamaño de poro PAA se expandió con el tiempo de segunda anodización: 5-10 nm (0 min), 20-40 nm (40 min), 60-70 nm (80 min). Las nanopartículas de ZnO (10-30 nm) nuclearon preferentemente en poros más pequeños, formando capas densas en PAA de 40 min. TEM y SAED confirmaron la estructura hexagonal wurtzita de las partículas de ZnO.

Hidrofobicidad

Las películas ZnO sin modificar fueron hidrofílicas (CA < 90°). Tras el tratamiento Si69, el CA aumentó dramáticamente; la muestra PAA de 40 min alcanzó superhidrofobicidad (CA > 150°), atribuible a alta carga de ZnO y rugosidad.

Rendimiento Antibiofilm

La adhesión de biofilm siguió el modelo clásico de cinco etapas: adhesión rápida (0-2 h), crecimiento (2-12 h), maduración (12-24 h), y degeneración (>24 h). El compuesto ZnO/PAA de 40 min exhibió la menor adhesión y recuentos bacterianos en todos los puntos temporales. En contraste, la muestra de 80 min, a pesar de mayor hidrofilicidad, mostró la mayor acumulación de biofilm debido a menor densidad de ZnO.

Imágenes SEM confirmaron que la muestra de 40 min presentó sustancias poliméricas extracelulares (EPS) mínimas y menos colonias bacterianas, mientras que la muestra de 80 min mostró EPS denso y biofilms maduros. CLSM corroboró estos hallazgos, con la superficie de 40 min mostrando mayor proporción de células muertas (rojo) y menos células vivas (verde) a 24-36 h.

Conclusiones

Al ajustar el tiempo de segunda anodización a 40 min, la PAA proporciona una arquitectura de poro óptima que maximiza la deposición de nanopartículas de ZnO y, tras modificación Si69, produce una superficie superhidrofóbica. Esta configuración inhibe efectivamente la adhesión bacteriana inicial y disrumpe la maduración del biofilm, estableciendo el compuesto ZnO/PAA como un material antibiofilm prometedor para aplicaciones de procesamiento de alimentos y biomédicas.

Abreviaturas

AO:

Naranja de acridina

CA:

Ángulo de contacto con agua

EPS:

Exopolisacáridos

FT-IR:

Espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier

PAA:

Alúmina anódica porosa

PBS:

Salino fosfato tamponado

PI:

Ioduro de propidio

SAED:

Difracción electrónica de área seleccionada

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

TG/DTA:

Análisis termogravimétrico/diferencial térmico

XRD:

Difracción de rayos X