Rendimiento Antimicrobiano de Nanocompuestos y Compuestos de PBAT Incorporando Cobre, Nanopartículas Cu/Cu₂O y Sulfato de Cobre

Resumen

Sintetizamos nanocompuestos de polibutileno adipato-co-tereftalato (PBAT) y un material compuesto incorporando nanopartículas comerciales de cobre (Cu-NPs), nanopartículas de cobre/óxido cuproso reducidas químicamente (Cu|Cu₂O-NPs) y sulfato de cobre (CuSO₄), respectivamente. Los Cu|Cu₂O-NPs se produjeron vía ruta de reducción simple y se caracterizaron por difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Los polvos resultantes consistieron en una mezcla Cu/Cu₂O, con partículas esféricas de Cu promediando 40 nm y partículas de Cu₂O alrededor de 150 nm. Las matrices PBAT se cargaron con 1, 3 o 5 % en peso de cada aditivo mediante proceso de mezcla en fusión ex-situ. Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), pruebas de tracción, calorimetría diferencial de barrido (DSC), análisis termogravimétrico (TGA) y ensayos de difusión en agar se emplearon para evaluar propiedades estructurales, termomecánicas y antimicrobianas. Los resultados muestran que los aditivos no alteran la estructura química del PBAT y solo aumentan modestamente la cristalinidad. El comportamiento mecánico y térmico permanece prácticamente inalterado, con ligero aumento en resistencia a la tracción y estabilidad térmica a cargas más altas. Todas las formulaciones mostraron actividad inhibitoria contra cepas no resistentes Enterococcus faecalis, Streptococcus mutans y Staphylococcus aureus. El compuesto basado en CuSO₄ exhibió el efecto biocida más fuerte, incluso contra el patógeno resistente Acinetobacter baumannii. Estos hallazgos destacan el potencial del PBAT como plataforma antibacteriana biodegradable para aplicaciones biomédicas.

Introducción

Los plásticos tradicionales, derivados de combustibles fósiles, son en gran medida no degradables y plantean desafíos ambientales significativos. En respuesta, la comunidad científica ha intensificado esfuerzos para desarrollar polímeros biodegradables que puedan reemplazar materiales basados en petróleo mientras ofrecen propiedades funcionales mejoradas mediante nanotecnología. Los bionanocompuestos —matrices orgánicas dispersas con nanomateriales inorgánicos— exhiben características ópticas, térmicas, mecánicas, magnéticas y optoelectrónicas superiores debido a la alta área superficial y reactividad de los rellenos nanoscópicos.

El polibutileno adipato-co-tereftalato (PBAT) es un poliéster alifático lineal que se asemeja al polietileno de baja densidad en flexibilidad y procesabilidad pero sufre de resistencia mecánica limitada. Incorporar rellenos nanoscópicos puede abordar esta debilidad y dotar al PBAT de atributos multifuncionales, incluyendo rendimiento termomecánico mejorado.

Controlar la colonización microbiana es un requisito crítico para dispositivos biomédicos como catéteres y tubos endotraqueales. Incrustar nanopartículas antibacterianas dentro de una matriz polimérica puede mejorar sinérgicamente las propiedades antimicrobianas intrínsecas del material, potencialmente previniendo infecciones asociadas a dispositivos. A pesar de los perfiles prometedores de mecánica y biodegradabilidad del PBAT, su aplicación en dispositivos médicos permanece poco explorada.

Las nanopartículas metálicas, notablemente el cobre, exhiben actividad antibacteriana intrínseca que depende del tamaño de partícula, morfología y química superficial. La eficacia del cobre contra un amplio espectro de patógenos —incluyendo cepas resistentes a fármacos— ha sido demostrada, sin embargo estudios sistemáticos comparando Cu, Cu/Cu₂O y CuSO₄ en PBAT son escasos. Este estudio evalúa el rendimiento antimicrobiano de nanocompuestos de PBAT conteniendo Cu-NPs, Cu|Cu₂O-NPs y un compuesto basado en CuSO₄, junto con análisis comprehensivos de sus propiedades estructurales, mecánicas y térmicas.

Materiales y Métodos

Materiales

PBAT (Ecoflex, BASF, Ludwigshafen, Alemania) sirvió como matriz polimérica. Cu-NPs comerciales (pureza 99,99 %, 100-200 nm, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) se usaron directamente. Cu|Cu₂O-NPs se sintetizaron desde CuSO₄·5H₂O, ácido ascórbico y NaOH vía protocolo de reducción química. CuSO₄ (Sigma-Aldrich) también se usó para preparar el material compuesto.

Síntesis de Nanopartículas por Reducción Química

Siguiendo a Khan et al., 0,1 M CuSO₄·5H₂O se disolvió en agua (120 mL). La solución se calentó a 80 °C en baño de propilenglicol mientras se añadían 50 mL de ácido ascórbico 10 mM. Tras 30 min de agitación a ~390 rpm, 30 mL de NaOH 1 M se introdujeron gota a gota. La mezcla se agitó por 2 h adicionales, luego se enfrió, centrifugó, lavó con agua y etanol, y sonicó. El producto final se secó a 60 °C durante la noche.

Síntesis de Nanocompuestos

PBAT se fundió a 140 °C, y se añadió 1, 3 o 5 % en peso de Cu-NPs, Cu|Cu₂O-NPs o CuSO₄. La mezcla se homogeneizó en un reómetro de torque (modelo 835205, Brabender) a 60 rpm durante 7 min. Cargas sobre 5 % en peso llevaron a artefactos de fluorescencia en espectros Raman, así que se impuso este límite.

Caracterización

Propiedades estructurales, mecánicas, térmicas y antibacterianas se examinaron. Cu-NPs y Cu|Cu₂O-NPs se analizaron por XRD y TEM. Nanocompuestos PBAT y el compuesto CuSO₄ se evaluaron via TGA, DSC, SEM, FTIR, XRD, pruebas de tracción y ensayos antibacterianos de difusión en agar. Placas de muestra (100 × 100 × 1 mm) se produjeron por moldeo por compresión (160 °C, 110 bar, 5 min) en una prensa hidráulica Labtech.

Propiedades Morfológicas y Estructurales

Cu|Cu₂O-NPs mostraron mezcla de Cu esférico (≈ 40 nm) y partículas poliédricas de Cu₂O (≈ 150 nm). XRD confirmó reflexiones Cu (111, 200, 220) y Cu₂O (111, 200, 220). Cu-NPs fueron esféricas (100-200 nm) con picos XRD coincidiendo con Cu fcc (JCPDS 85-1326). El compuesto CuSO₄ no alteró el patrón de difracción PBAT, aunque picos bajos de Cu y Cu₂O aparecieron a cargas más altas.

Propiedades Mecánicas (Prueba de Tracción)

Pruebas de tracción ASTM D638 (50 mm/min, célula de carga 1 kN) se realizaron en cinco especímenes por formulación. Resultados indican que Cu-NPs aumentaron ligeramente resistencia a la tracción y disminuyeron alargamiento a ruptura a cargas más altas, mientras Cu|Cu₂O-NPs y compuestos CuSO₄ mostraron cambios mínimos, preservando la ductilidad inherente del PBAT.

Propiedades Térmicas

TGA (20 °C-600 °C, 10 °C/min, N₂) reveló que Cu-NPs elevaron la temperatura de descomposición inicial (T_di) en 3-5 °C y redujeron ligeramente la temperatura de descomposición final (T_df) comparado con PBAT puro. Cu|Cu₂O-NPs y compuestos CuSO₄ produjeron tendencias similares pero con T_df marginalmente menor. DSC (25-200 °C, 10 °C/min, N₂) mostró aumento modesto en temperatura de cristalización y ligera disminución en temperatura de fusión, reflejando influencia de nanorrellenos en nucleación de cristales.

Ensayos de Actividad Antimicrobiana de NCs y MC Usando Difusión en Agar

Cuatro cepas bacterianas se probaron: Enterococcus faecalis (aislado oral), Streptococcus mutans (ATCC 25175), Staphylococcus aureus (ATCC) y Acinetobacter baumannii (aislado clínico ABA 538). Una prueba de difusión cualitativa identificó 3 % en peso como carga óptima para análisis cuantitativo adicional. Ensayos cuantitativos se realizaron en cabina de bioseguridad, midiendo unidades formadoras de colonias (UFC/mL) a 2, 4, 6 y 8 h. Resultados demostraron inhibición bacteriana significativa por compuestos CuSO₄, especialmente contra A. baumannii resistente (erradicación completa a 8 h). Cu|Cu₂O-NPs suprimieron efectivamente E. faecalis y S. mutans, mientras Cu-NPs fueron más potentes contra S. aureus.

Resultados y Discusión

El análisis reométrico confirmó que 7 min de mezcla en fusión lograron torque de equilibrio, indicando dispersión completa de nanorrellenos. La presencia de Cu-NPs redujo el torque en ~10 %, sugiriendo procesabilidad mejorada. Cargas de Cu|Cu₂O-NPs y CuSO₄ tuvieron impacto despreciable en torque, probablemente debido a su mayor tamaño de partícula.

Patrones XRD de los nanocompuestos muestran que los picos Cu y Cu₂O crecen en intensidad con contenido de relleno creciente, mientras los picos cristalinos de PBAT disminuyen ligeramente, indicando reducción modesta en cristalinidad general. El índice de cristalinidad calculado (X_c = I_c/(I_c + I_a)) aumentó para Cu-NPs y Cu|Cu₂O-NPs pero disminuyó para compuestos CuSO₄, consistente con comportamiento térmico observado.

Espectros FTIR revelaron frecuencias de grupos funcionales inalteradas en todas las formulaciones, confirmando que no ocurrieron interacciones químicas entre cadenas PBAT y rellenos inorgánicos.

Pruebas de tracción revelaron que Cu-NPs elevaron resistencia última a tracción de 19,2 MPa (PBAT puro) a 20,4 MPa (5 % en peso) mientras redujeron alargamiento a ruptura de 35 % a 28 %. Cu|Cu₂O-NPs y compuestos CuSO₄ mantuvieron resistencias a tracción dentro de ±2 % de PBAT puro, indicando que la integridad mecánica del PBAT se preserva incluso a 5 % en peso de carga.

Resultados TGA demuestran ligera mejora en estabilidad térmica (ΔT_di ≈ +4 °C) para todos los compuestos, con Cu-NPs produciendo la mayor mejora. Cu|Cu₂O-NPs y compuestos CuSO₄ mostraron efectos similares pero menos pronunciados. Estas observaciones son consistentes con el papel de barrera de partículas inorgánicas, que retardan pérdida de masa dificultando transferencia de calor.

Los ensayos antibacterianos subrayan la superioridad de compuestos CuSO₄, logrando inhibición completa de A. baumannii, E. faecalis y S. mutans en 6 h y S. aureus en 4 h. Cu|Cu₂O-NPs fueron altamente efectivos contra S. aureus y E. faecalis, mientras Cu-NPs destacaron contra S. aureus. Estas diferencias reflejan los variados perfiles de liberación iónica y químicas superficiales de los tres aditivos basados en cobre.

Conclusiones

El estudio demuestra que PBAT puede funcionalizarse con nanopartículas basadas en cobre o sulfato de cobre para producir compuestos biocompatibles y antibacteriales sin comprometer rendimiento mecánico o térmico. Los compuestos CuSO₄ exhibieron la actividad antimicrobiana más potente, incluyendo contra cepas resistentes, haciéndolos candidatos atractivos para recubrimientos de dispositivos biomédicos. Trabajos futuros deberían enfocarse en pruebas in-vivo, biocompatibilidad a largo plazo y escalado de producción para aplicaciones comerciales.