Síntesis in situ de nanopartículas de plata en fibras de poliacrilonitrilo injertadas con amino para rendimiento antibacteriano mejorado

Resumen

En este estudio, se preparó fibra de poliacrilonitrilo (PAN) injertada con polímeros hiperramificados (HBP) amino mediante reacción de amidación en autoclave. La fibra PAN-G-HBP preparada puede complejar Ag⁺ a través de grupos amino de HBP amino, y en condición de vapor caliente, Ag⁺ se convierte a Ag⁰ mediante la reducibilidad de HBP. Fibras PAN-G-HBP y recubiertas con nanopartículas (NP) de Ag se caracterizaron mediante FTIR, UV–VIS DRS, FE-SEM, EDS, XPS y medición antibacteriana. Resultados de FTIR confirmaron injerto de HBP en superficie de fibra PAN. FE-SEM mostró que tras injerto con HBP, el diámetro promedio de fibras PAN se amplió. EDS, XPS y UV–VIS DRS indicaron que bajo condición de vapor caliente y con reducibilidad de HBP, NP de Ag se recubren uniformemente en PAN-G-HBP. Fibras recubiertas con NP de Ag exhiben excelente propiedad antibacteriana contra Escherichia coli y Staphylococcus aureus. Incluso bajo 20 ciclos de lavado doméstico, la reducción antibacteriana de fibra PAN recubierta con NP de Ag alcanza más de 98,94 %.

Introducción

La fibra de poliacrilonitrilo (PAN), obtenida por polimerización radical libre de monómero acrilonitrilo, tiene excelente resistencia a intemperie, sol, ácido y oxidante. Generalmente, fibra PAN se usa para reemplazar o mezclar tela de lana y es adecuada para telas de decoración interior, como cortinas. Productos de fibra PAN son esponjosos, suaves, con diámetro ultra-fino y gran área superficial específica. Este producto está limitado en uso industrial debido a la falta de grupos funcionales en la estructura molecular de PAN. Los grupos ciano de fibra PAN pueden transformarse fácilmente en varios grupos activos, como aminación, amidoximación y sulfonación, y luego los grupos pueden injertarse para obtener fibras PAN funcionales y expandir su aplicación en diversos campos. Wang et al. investigaron modificación de fibra PAN por polietilenoimina hiperramificada (HPEI) mediante hidrólisis mediada por agua y reacción de amidación en autoclave. Las fibras obtenidas se usaron exitosamente como soportes y estabilizadores en preparación de nanopartículas (NP) de Au de tamaño pequeño. Ju et al. investigaron poliamidoamina crecida en superficie de fibra PAN y hallaron que fibra tratada puede extraer uranio de agua de mar por adsorción. En estos reportes, HPEI son polímeros muy costosos, controlar el injerto de fibras PAN siempre es difícil y necesita muchos pasos.

La plata es material ampliamente usado y ha probado ser efectiva contra bacterias, hongos y virus. Fibra conteniendo NP de Ag se ha preparado para variedad de aplicaciones, incluyendo biotextiles, apósitos para heridas, materiales de protección biológica, ropa deportiva, etc. Estudios intentaron mejorar combinación de NP de Ag y fibra. Muchos agentes reductores, como glucosa, borohidruro de sodio (NaBH₄) y polifenol, se usaron para reducción de Ag⁺ a NP de Ag. La estrategia de recubrimiento en fibras depende principalmente de tecnología de ensamblaje basada en solución, que incluye curado por inmersión-secado, pulverización, deposición in situ y recubrimiento sol-gel. Además, acetato de polivinilo, resina de poliuretano y ésteres de poliacrílico fueron esenciales para fijar NP de plata en fibras. Por tanto, la aplicación de NP de Ag en superficie de fibras es a menudo difícil y requiere muchos pasos.

En nuestros estudios previos, se sintetizó un polímero hiperramificado (HBP) amino conteniendo varios grupos amino y estructura tridimensional esférica con nanocavidades internas. El grupo amino terminal produce fácilmente adsorción química con partículas de metales pesados y sus nanocavidades se aplicaron a síntesis controlada de NP de Ag y ZnO.

En este trabajo, se prepararon fibras PAN recubiertas con NP de Ag para mejorar propiedades antibacterianas de fibra PAN. Primero, fibras PAN se usaron como matriz, y HBP amino se injertó en fibras PAN para preparar fibras PAN modificadas con poliamina. Luego, en proceso de recubrimiento, HBP se usó como agente complejante para capturar Ag⁺ en solución acuosa, y en condición de vapor caliente, Ag⁺ se redujo a Ag⁰ por grupo amino. HBP amino puede atrapar NP de Ag en cavidad interna confinada y prevenir su agregación adicional debido a estructura esférica tridimensional y nanocavidad interna. Comparado con métodos reportados, el proceso sintético de HBP es simple y de bajo costo. En proceso de recubrimiento, HBP actúa como agente reductor y aglutinante para fijar NP de Ag en superficie de fibras PAN y proporcionar propiedades antimicrobianas, sin usar otros auxiliares.

Métodos

Materiales

Fibras PAN con longitud 2–3 cm se obtuvieron de Suzhou Weiyuan en China. La copolimerización de acrilonitrilo (95 % p/p), metacrilato de metilo, estireno sulfonato sódico traza (5 % p/p), y HBP amino se prepararon como se describe en nuestro artículo previo. AgNO₃ (pureza analítica) y BaSO₄ (pureza espectral) se compraron de Guoyao Chemical Reagent, China. Staphylococcus aureus (ATCC 6538) y Escherichia coli (ATCC 8099) se obtuvieron de Shanghai Luwei Technology Co., Ltd. (China).

Síntesis de fibra PAN-G-HBP

Soluciones de HBP de 20 mL a 4, 8, 16 y 24 g/L se prepararon en autoclave, y se añadieron 1 g de fibras PAN a solución de HBP amino. Las mezclas se sellaron en autoclave a 120 °C por 2 h. Tras enfriar, la fibra PAN se lavó con agua y alcohol etílico por separado. La fibra se secó a 80 °C por 60 min para obtener fibra PAN-G-HBP.

Preparación de fibra PAN-G-HBP recubierta con NP de Ag

Cierta cantidad de fibras PAN-G-HBP se colocó en solución acuosa de AgNO₃ 0,1–0,5 mM por 60 min con relación licor 1:30. Posteriormente, las fibras PAN-G-HBP se vaporizaron (100 °C) por 30 min usando motor de vapor (BTZS10A, China). Luego, las fibras se lavaron con agua desionizada y secaron a 60 °C para producir fibras PAN recubiertas con NP de Ag.

Mediciones

Espectros de análisis infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) se realizaron usando espectrofotómetro FTIR Nicolet 5700 (Thermo Electron Corporation, EE. UU.). La morfología superficial de fibras se caracterizó usando microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FE-SEM) (Scios DualBeam, Chequia) y espectroscopía de dispersión de energía (EDS) (Carl Zeiss, EVO 15, Oberkochen, Alemania). Las propiedades de tracción de fibras se estudiaron usando máquina de prueba de fibras (ZEL-A-2, Shanghai, China). Espectroscopía de reflexión difusa ultravioleta-visible (UV–vis DRS) de fibra PAN recubierta con NP de Ag se realizó mediante UV-2550 (Shimadzu, Japón), con polvo de BaSO₄ como referencia. Análisis de fotoelectrónica de rayos X (XPS) se realizaron usando espectrómetro de electrones XSAM 800 (Kratos, Reino Unido). El contenido de Ag en fibras PAN se midió usando espectrómetro de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente (ICP-AES) Vista MPX (Varian, EE. UU.). El contenido de Ag se calculó usando Ec. (1).

Contenido de Ag (mg/g) = C·V / M

Donde C (mg/L) es concentración de Ag en solución, y V (L) y M (mg) representan volumen de solución y peso de fibra, respectivamente.

La actividad antimicrobiana de fibras PAN, PAN-G-HBP y PAN recubiertas con NP de Ag se probó estudiando cinética de crecimiento de S. aureus y E. coli. Fibras a 0,8 g se colocaron por separado en suspensión bacteriana de S. aureus y E. coli. Se cultivaron selladas en oscilador a 37 °C por 6 h y muestrearon cada 30 min. La densidad óptica de suspensión bacteriana a 546 nm se midió usando espectrofotómetro ultravioleta-visible (UV–vis) (UV-3010, Hitachi, Japón). La tasa antimicrobiana de fibras se probó contra E. coli y S. aureus mediante método de frasco agitador según GB/T20944.3-2008 (China). La durabilidad al lavado de fibras PAN recubiertas con NP de Ag se evaluó según GB/T 20944.3-2008 (China). La fibra se puso en recipiente de acero inoxidable con 150 mL de solución detergente estándar AATCC WOB 0,2 % (p/v) y 10 bolas de acero por 45 min, temperatura 40 °C. Este proceso equivalió a cinco ciclos de lavado doméstico. Contenidos de Ag y actividad antibacteriana tras 5 y 20 ciclos de lavado se determinaron.

Resultados y discusión

Preparación y caracterización de fibra PAN injertada con amino

La fibra PAN es resistente a corrosión, con excelente resistencia mecánica y estabilidad. Además, es rica en grupos ciano, fácilmente convertibles en varias partes funcionales (carboxilo, amida, grupos amidoxima). Los grupos nitrilo en superficie de fibras PAN se hidrolizaron y luego amidaron con HBP amino (Esquema 1) para obtener fibras PAN-G-HBP. La fibra PAN se injertó con HBP amino a concentraciones 0, 8, 16 y 24 g/L. La solución acuosa de HBP amino es alcalina por propiedades catiónicas del grupo amino. Si concentración es alta, la alcalinidad es fuerte. En solución alcalina a alta temperatura y presión, la porción -CN de fibra PAN se hidroliza a grupo COO–. Luego, COO– reacciona con grupo amino terminal de HBP amino para formar grupo –CO–NH–, y en esta reacción, la fibra PAN blanca cambia gradualmente a amarillo claro. Así, HBP amino se injertó exitosamente en superficie de fibras PAN.

La fibra injertada se caracterizó por FTIR para verificar cambios de grupos en la reacción. Comparado con espectro FTIR de fibra PAN pura (Fig. 1a), muchos picos de absorción característicos nuevos aparecieron en espectro FTIR de PAN-G-HBP (Fig. 1b–d). Por ejemplo, pico de absorción ~3400 cm⁻¹, característico de frecuencia de enlace N–H de aminas primarias, secundarias y grupos amida de HBP. Además, frecuencia de enlace C=O de grupo amida se absorbió a 1651 cm⁻¹. La fuerte frecuencia de enlace tensil asimétrico C=O de COO– se observó a 1563 cm⁻¹, solapándose con deformación N–H y vibración tensil C–N. Según espectro de HBP (Fig. 1e), nuevos picos de absorción de fibra PAN a 3436, 1651 y 1563 cm⁻¹ se atribuyen a absorción característica de HBP. Todos estos resultados confirmaron injerto exitoso de HBP amino en PANF. La fuerte absorción a 2242 cm⁻¹, característica de frecuencia de enlace C≡N, también existe en espectro de PAN-G-HBP. Esto indica que solo ciertos grupos nitrilo de PAN participan en la reacción. La razón es la alta regularidad de cadena molecular de poliacrilonitrilo, la reacción de injerto ocurre principalmente en región amorfa. Tras injerto con HBP, mayor impedimento estérico de volumen se produce, dificultando penetración de HBP en parte interna de fibra.

Fibras PAN y PAN-G-HBP también se caracterizaron por FE-SEM. Figura 2a muestra superficie de fibra original lisa, estructura densa y uniforme, surcos longitudinales muy someros. Tras injerto con HBP amino, morfología superficial (Fig. 2b–d) se vuelve rugosa e irregular y tiene estructura de núcleo hueco. Si HBP amino es alto, diámetro de fibras PAN es grande. A medida que grado de aminación aumenta, morfología se vuelve cada vez más rugosa, hendiduras se profundizan y ensanchan, pliegues evidentes, y grado de daño aumenta. La razón es que modificación de aminación ocurre principalmente en superficie de fibra; tras modificación, volumen de HBP es grande y ocupa más espacio de fibra modificada, y enlace entre cadenas macromoleculares de PAN se vuelve más laxo, abarrotando el espacio.

Archivo Adicional 1: Fig. S1 muestra influencia de concentración de HBP en ganancia de peso de fibra. Al aumentar concentración de HBP amino, número de grupos amino aumenta. La cinética muestra que tasa de ganancia de peso aumenta con aumento de concentración de HBP amino. Archivo Adicional 1: Fig. S2 muestra resistencia a rotura de fibra PAN injertada con diferentes concentraciones de HBP amino. Al aumentar concentración de HBP amino, resistencia a rotura de fibra PAN desciende. La razón es que modificación de aminación ocurre principalmente en superficie; tras modificación, volumen de HBP amino ocupa espacio adicional de fibra modificada, y parte de área cristalizada se destruye, reduciendo resistencia de fibra. Por tanto, elegimos 16 g/L HBP amino para tratamiento de fibra PAN para balancear resistencia a rotura y ratio de injerto.

Preparación de fibra PAN recubierta con NP de Ag

Esquema 2 representa principio de NP de Ag dispersas en fibra PAN. HBP amino se caracterizó por estructura tridimensional y conteniendo gran número de grupos amino y grupos amino primarios terminales, adecuados para complejar ion metálico en agua. En condición de alta temperatura, grupos amino pueden reducir Ag⁺ para formar coloide de plata sin reductantes adicionales. Estos grupos amino en fibras PAN atraen iones de plata y proveen fuente de electrones para proceso de reducción. En esta reacción, HBP juega papel importante reduciendo iones de plata (Ag⁺) a NP de plata (Ag⁰), como agente auto-reductor eficiente y previniendo aglomeración de NP como estabilizador. NP de Ag quedan confinadas en interior de polímeros, y su crecimiento se restringe físicamente por mallas. Por tanto, tamaño y distribución de tamaño se controlan eficazmente. Cuando reacción completa, fibras amarillas cambian gradualmente a marrón.

Propiedades antibacterianas de fibra PAN recubierta con NP de Ag

Muestras PAN-G-HBP se sumergieron en soluciones de AgNO₃ 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 y 0,5 mM, marcadas a, b, c, d, e respectivamente, para proveer telas PAN con propiedades antibacterianas. Tras tratamiento en condición de vapor caliente (100 °C) por 30 min, NP de Ag se recubrieron en fibra. Archivo Adicional 1: Tabla S1 muestra contenido de plata y propiedades antibacterianas contra E. coli y S. aureus de muestras. Fibra PAN no mostró actividad antibacteriana contra S. aureus o E. coli, indicando que fibra PAN sola no basta para inhibir crecimiento bacteriano. Atribuido a propiedades catiónicas de grupo amino, fibras PAN-G-HBP muestran cierta actividad antibacteriana. Esto indica que HBP amino puede potencialmente mejorar propiedades antibacterianas de fibra PAN. Por contraste, fibra PAN recubierta con NP de Ag exhibe excelente actividad antibacteriana incluso con contenidos de Ag a 110 mg/kg. Cuando concentración de plata alcanza 270 mg/kg, células apenas sobreviven en fibra PAN. La durabilidad al lavado de fibras PAN recubiertas con NP de Ag es factor muy importante. Tras lavar 5 y 20 veces, contenido de plata y actividad antibacteriana de PAN recubierto con Ag se midieron, resultados en Archivo Adicional 1: Tabla S2. Al aumentar ciclos de lavado, contenido de plata y actividad antibacteriana de PAN recubierto con Ag disminuyen. Tras 20 ciclos, fibra aún mostró reducción bacteriana de 99,11 % y 98,94 % para S. aureus y E. coli respectivamente. La excelente durabilidad de NP de Ag en fibras PAN se atribuye a propiedades químicas y físicas únicas de HBP, que atrapa iones de plata en cavidad interna estrecha, y previene su agregación adicional mediante efectos de impedimento electrostático y estérico. Elegimos muestra c (tratada con AgNO₃ 0,3 mM) para caracterización adicional.

Cinética de crecimiento de E. coli y S. aureus en presencia de PAN, PAN-G-HBP y fibras PAN recubiertas con NP de Ag (contenido Ag ~270 mg/kg) se estudió para evaluar cinética antibacteriana de fibra PAN recubierta con NP de Ag. Figura 6 muestra resultados. La densidad óptica de suspensión bacteriana de E. coli y S. aureus a 546 nm comenzó a aumentar tras 0,5 h. En presencia de HBP amino, la densidad óptica comenzó a aumentar a 1 h. A ~6 h, absorbancia de suspensión bacteriana fue misma que muestra en blanco. Esto es porque amino positivo inhibe crecimiento bacteriano al inicio del cultivo. A medida que tiempo de cultivo aumenta, su efecto inhibitorio desaparece gradualmente. Por contrario, densidad óptica de suspensión bacteriana de E. coli y S. aureus nunca aumentó durante todo el período experimental en presencia de fibra PAN recubierta con NP de Ag. Por tanto, fibra PAN recubierta con NP de Ag no solo inhibe crecimiento y reproducción bacteriana sino que también ejerce efecto bactericida en cierta medida.

Caracterización de fibra PAN recubierta con NP de Ag

Morfología superficial de PAN-G-HBP y fibras PAN recubiertas con NP de Ag se investigó más mediante FESEM. Figura 3 muestra PAN-G-HBP y fibras PAN recubiertas con NP de Ag, distinción evidente entre ambas. Superficie de fibra PAN-G-HBP fue plana y lisa (Fig. 4a), mientras que muchos puntos blancos se hallaron en fibra PAN tras tratamiento con Ag⁺, dispersos uniformemente en superficie.

Características químicas de fibra PAN-G-HBP tratada con NP de Ag se examinaron mediante análisis EDS de elementos C, O y Ag para confirmar si puntos blancos eran plata. Figura 5a y Archivo Adicional 1: S3 muestran elemento Ag adicional en fibras PAN, atribuible a adherencia de NP de Ag a fibras PAN-G-HBP. Figura 5b–d muestran C y N incluyendo distribución uniforme de elemento Ag en superficie de fibra PAN. Notablemente, Ag se distribuyó uniformemente en superficies de fibra PAN, resultado en buen acuerdo con mediciones FESEM.

Análisis XPS y UV–vis DRS de fibras PAN recubiertas con NP de Ag se realizaron para investigar proceso de recubrimiento. Figura 6a muestra fibras PAN-G-HBP con picos O1s, N1s, C1s. Nuevos picos Ag3d a 373 eV se observaron tras tratamiento con Ag⁺, indicando recubrimiento de elemento Ag en fibra PAN. NP de Ag se oxidan fácilmente expuestas al aire sin buena protección. En Fig. 6b, dos picos a 367,68 y 373,72 eV atribuidos a Ag3d_3/2 y Ag3d_5/2 de NP de Ag metálicas respectivamente, indicando buena protección de NP de Ag por HBP amino. Niveles de energía de núcleo de N1s también se investigaron para estudiar cambio de enlace amida en proceso de recubrimiento, Fig. 6c, d. Espectro N1s del material forma tres picos ~399 eV, pertenecientes a –NH₂/–NH–, –C–N–, y C≡N. Figuras 6a, c, d muestran que intensidades de N1s disminuyeron, y picos de N1s se desplazaron a valores de energía mayores. Resultados confirmaron participación de grupos conteniendo N en proceso de recubrimiento. Espectro UV–vis DRS de fibras PAN tiene pico amplio de absorción UV a 409 nm (Archivo Adicional 1: Fig. S4) por absorción de NP de Ag. Esto indica existencia de NP de Ag en superficie de fibra PAN.

Conclusiones

Como grupos ciano de fibra PAN pueden transformarse en grupos activos, en esta investigación se injertó fibra PAN con HBP amino mediante reacción de amidación en autoclave. La PAN-G-HBP obtenida tiene diámetro mayor y contiene varios grupos amino por reacción entre PAN y HBP amino. Grupos amino en fibra PAN complejan eficazmente Ag⁺ en solución acuosa y en condición de vapor caliente, Ag⁺ se convierte a NP de Ag⁰ mediante reducibilidad y protección de HBP amino. Las mediciones confirmaron NP de Ag sintetizadas y distribuidas uniformemente en superficie de fibra PAN. Contenido de Ag en fibra PAN a 270 mg/kg muestra buenas propiedades antibacterianas y de lavabilidad. Fibra PAN recubierta con NP de Ag no solo inhibe crecimiento y reproducción bacteriana sino que también ejerce efecto bactericida en cierta medida.