Vergleichsstudie der antimikrobiellen Wirkung von Nanokompositen und Kompositen auf Basis von Poly(butylenadipat-co-terephthalat) unter Verwendung von Cu- und Cu/Cu2O-Nanopartikeln und CuSO4

Einführung

Die meisten Kunststoffmaterialien werden aus fossilen Brennstoffen hergestellt und sind praktisch nicht abbaubar, was Bedenken hinsichtlich der wirtschaftlichen und ökologischen Nachhaltigkeit aufkommen lässt [1, 2]. Daher hat die Entwicklung und Synthese von biologisch abbaubaren Materialien aus einer anderen Quelle viel Aufmerksamkeit von der wissenschaftlichen Gemeinschaft mit dem Ziel erhalten, die Produktion von erdölbasierten Kunststoffen zu reduzieren [3,4,5]. Biologisch abbaubare Polymere haben begonnen, eine grundlegende Rolle bei der Lösung dieser Probleme als vielversprechende Option für fossile Brennstoffe zu spielen, zusammen mit einer neuen Klasse von Materialien, die als Bionanokomposite bekannt sind und durch die Nanotechnologie bessere Eigenschaften besitzen [6,7,8,9 ,10].

Bionanocomposites bestehen aus einer organischen Matrix, in der anorganische Nanomaterialien dispergiert sind [8, 11,12,13]. Die unterschiedlichen Morphologien und Größen der anorganischen Komponenten wie Nanopartikel, Nanotubes, Nanosheets, Nanowires und Nanoclay haben einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften der Polymermatrix. Die optischen, thermischen, mechanischen, magnetischen und optoelektronischen Eigenschaften werden aufgrund der Synergie zwischen der Oberfläche, der hohen Oberflächenreaktivität, der ausgezeichneten thermischen Stabilität und der hohen mechanischen Festigkeit der anorganischen Komponenten und der Polymermatrix verbessert [14,15,16] . Eine breite Palette von Innovationen in der Polymerchemie und Mikro- und Nanofabrikationstechniken hat die Forschung an Polymer-Bionanokompositen vorangetrieben, nicht nur für die Herstellung verbesserter Strukturen, sondern auch für die Herstellung neuer funktioneller Materialien mit interessanten Eigenschaften und hoch entwickelten Anwendungen [17,18 ,19]. Mehrere Biopolymere natürlichen oder synthetischen Ursprungs wie Polymilchsäure (PLA) [20] und Poly(butylen-adipat-co-terephthalat) (PBAT) wurden umfassend untersucht [21, 22].

Ein Polymer, das derzeit als Matrix in Nanokompositen verwendet wird, ist PBAT [23]. Dieses synthetische Biopolymer ist ein linearer aliphatischer biologisch abbaubarer Polyester basierend auf den Monomeren 1,4-Butandiol, Adipinsäure und Terephthalsäure in der Polymerkette [24]. Seine Eigenschaften ähneln denen von Polyethylen niedriger Dichte aufgrund seines hohen Molekulargewichts und seiner langkettigen verzweigten Molekülstruktur, was es flexibel macht [24,25,26]. Die Haupteinschränkung von PBAT ist seine geringe mechanische Festigkeit; jedoch kann dieser Nachteil durch die Zugabe von nanoskaligen Ladungen überwunden werden, wodurch dieses Material mit multifunktionalen Eigenschaften wie besseren thermomechanischen Eigenschaften ausgestattet wird [6, 27].

Derzeit besteht auch ein dringender Bedarf an der Entwicklung von Bionanokompositen, die die mikrobielle Besiedlung kontrollieren oder verhindern können, indem Nanopartikel mit bekannter antibakterieller Aktivität in die Polymermatrix eingebaut oder die antibakteriellen Eigenschaften verbessert werden, die bereits von der Polymermatrix vorhanden sind. Im letzteren Fall wurde die wesentliche Verbesserung der bioziden Kapazität der Polymermatrix mit der Synergie zwischen den beiden Komponenten des Bionanokomposits in Verbindung gebracht [28, 29]. Daher bietet das Polymer nicht nur eine Stützmatrix für die Nanopartikel, sondern kann auch die antibakterielle Leistung verbessern und die Anwendungsmöglichkeiten des Bionanokomposits erweitern, um verschiedene Anforderungen für biomedizinische Anwendungen oder medizinische Geräte wie Endotrachealtuben und Gefäß- und Harnkatheter zu erfüllen [30 ,31,32]. Die Verwendung von PBAT in Medizinprodukten wurde jedoch nicht umfassend untersucht; nur wenige Artikel haben über die Möglichkeit seiner Verwendung in einigen klinischen Anwendungen berichtet [1].

Mehrere Untersuchungen haben über die Verwendung von Metallnanopartikeln als antimikrobielles Mittel berichtet. Die intrinsische biologische Eigenschaft dieser Materialien hängt von mehreren Faktoren wie dem beteiligten Metall, Partikelgröße, Struktur und Oberfläche ab. Alle möglichen Kombinationen dieser Faktoren können die antibakterielle Resistenz verzögern [33]. Die meisten antimikrobiellen Studien zu Nanokompositen konzentrierten sich auf Lebensmittelverpackungen, und die biozide Wirkung zielte immer auf dieselben Bakterien ab. Es ist nicht sicher, ob die Bakterien gegen die bioziden Nanopartikel genauso resistent werden wie gegen Medikamente. Daher bestand eines der Ziele dieser Arbeit darin, die antimikrobielle Aktivität von PBAT enthaltenden Nanokompositen mit unterschiedlichen Konzentrationen von Cu-NPs für eine potenzielle Verwendung bei der Herstellung von zahnärztlichen Instrumenten zu bewerten. Darüber hinaus haben wir eine vollständige Vergleichsstudie zu den thermomechanischen und antimikrobiellen Eigenschaften von PBAT-basierten Materialien durchgeführt. PBAT-Nanokomposite wurden mit Cu-Nanopartikeln in drei verschiedenen Konzentrationen hergestellt. Auf ähnliche Weise wurden Nanokomposite unter Verwendung von Cu|Cu₂ . hergestellt O-NPs als Last. Endlich ein CuSO₄ -basiertes Verbundmaterial wurde in den gleichen Konzentrationen hergestellt, die zur Herstellung der Nanoverbundstoffe verwendet wurden. Die biozide Aktivität der Nanokomposite und des PBAT-Komposits wurde gegen Staphylococcus aureus . bewertet , das für Hautinfektionen wie Follikulitis, Furunkulose und Konjunktivitis verantwortlich ist; Streptococcus mutans , das teilweise für Zahnplaque und Zahnbiofilm verantwortlich ist; und Enterococcus faecalis und Acinetobacter baumannii , die Infektionen verursachen können, die den Menschen gefährden, insbesondere in der Krankenhausumgebung.

Materialien und Methoden

Materialien

PBAT (Ecoflex), das zur Herstellung von Nanokompositen verwendet wurde, wurde von BASF (Ludwigshafen, Deutschland) geliefert. Seine molekulare Struktur ist in Zusatzdatei 1:Abbildung S1 (Ergänzungsmaterial) dargestellt. Die 99,99 % reinen Metall-Cu-Nanopartikel (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) hatten einen Durchmesser zwischen 100 und 200 nm. Zur Synthese des Cu|Cu₂ O-NPs, CuSO₄ Als Vorläufer wurde Ascorbinsäure (C₆ H₈ O₆ ) als Reduktionsmittel und Natriumhydroxid (NaOH) als pH-Regler. Außerdem CuSO₄ (Sigma-Aldrich) wurde verwendet, um das Verbundmaterial herzustellen.

Synthese von Nanopartikeln durch chemische Reduktion

Ein Syntheseverfahren, das von Khan et al. [34] wurde verwendet, um Cu|Cu₂ . zu erhalten O-NPs. Die Synthese begann mit dem Auflösen von CuSO₄ × 5H₂ O in destilliertem Wasser, um 120 µl einer 0,1 µM Lösung zu erhalten. Als nächstes die 120 ml CuSO₄ wurde in einen in ein Propylenglykolbad getauchten Kolben gegeben, gefolgt von der schnellen Zugabe von 50 ml C₆ H₈ O₆ Lösung. Die Mischung wurde 30 Minuten bei ungefähr 390 U/min kräftig gerührt, während die Temperatur auf 80 °C erhöht wurde, woraufhin 30 ml NaOH-Lösung tropfenweise zugegeben und die Lösung 2 Stunden lang kontinuierlich gerührt wurde. Die endgültige Lösung wurde über Nacht absetzen gelassen und dann wurde die überstehende Flüssigkeit entfernt. Das Konzentrat wurde zentrifugiert und mit destilliertem Wasser und Ethanol gewaschen. Schließlich wurden die Partikel mit Ultraschallgeräten dispergiert, in Petrischalen gegeben und über Nacht bei 60 °C im Ofen getrocknet (siehe Zusatzdatei 1:Abbildung S2).

Nanokomposit-Synthese

Um die Nanokomposite und das Kompositmaterial herzustellen, Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs und CuSO₄ Salz wurden in Konzentrationen von 1, 3 und 5 % in die PBAT-Matrix eingebaut. Zuerst wurde das PBAT geschmolzen, dann wurden die NPs zugegeben und in einem Torque-Rheometer (Modell 835205, Brabender GmbH &Co. KG, Duisburg, Deutschland) für 7 min bei 60 U/min und einer Arbeitstemperatur von 140 °C gemischt ( Zusätzliche Datei 1:Abbildung S4). Die maximale Beladung betrug 5 %, da höhere Beladungen Fluoreszenzeffekte in den Raman-Spektren erzeugten (zusätzliche Datei 1:Abbildung S3).

Charakterisierung

Die erhaltenen Nanokomposite und Verbundmaterialien wurden charakterisiert, um ihre Unterschiede in Bezug auf das PBAT-Polymer zu untersuchen. Ebenso haben wir untersucht, wie die unterschiedlichen Konzentrationen von Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs und CuSO₄ im Inneren des Polymers beeinflusst seine mechanischen, thermischen, morphologischen, strukturellen und bakteriziden Eigenschaften.

Cu-NPs und Cu|Cu₂ O-NPs wurden mittels Röntgenbeugung (XRD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. PBAT-Nanokomposite mit Cu-NPs (NCs-PBAT/Cu) und Cu|Cu₂ O-NPs (NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O) und das PBAT-Verbundmaterial mit CuSO₄ (MCs-PBAT/CuSO₄ ) wurden durch thermogravimetrische Analyse (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR), XRD, Zugtests und antimikrobielle Aktivitätsassays unter Verwendung von Agardiffusion charakterisiert. Eine 100 mm × 100 mm ×   1 mm plattenförmige Probe jedes Nanokomposits wurde so hergestellt, dass die bei jeder Analyse homogenisierten Proben die gleiche Größe aufwiesen. Um die Plattenform zu erhalten, NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O und MCs-PBAT/CuSO₄ wurden unter Verwendung einer Labtech-Hydraulikpresse (Modell LP-20B; Labtech Engineering Co., Ltd., Samutprakarn, Thailand) bei 160 °C und 110 bar für 5 min geformt. Die Vorheiz- und Abkühlzeiten betrugen 15 min bzw. 1 min (zusätzliche Datei 1:Abbildung S4).

Morphologische und strukturelle Eigenschaften

Um den nanometrischen Maßstab der Nanopartikel zu überprüfen und dass die synthetisierten Pulver eine Mischung aus Cu und Cu₂ . waren O Nanopartikel wurde eine Strukturanalyse mit XRD und eine morphologische Analyse mit TEM durchgeführt.

TEM-Aufnahmen von Cu|Cu₂ O-NPs wurden mit einem JEM 1200 EX II Transmissionselektronenmikroskop (JEOL, Ltd., Tokio, Japan) bei einer Spannung von 120 kV erhalten. Eine Probe wurde hergestellt, indem ein Tropfen in Ethanol verdünnter Nanopartikel auf ein 200-mesh-kohlenstoffbeschichtetes Kupfergitter gegeben wurde. Darüber hinaus wurden die Nanopartikel über ein Elektronenbeugungsmuster analysiert.

XRD-Spektren der Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, Nanokomposite und Verbundmaterialien wurden mit einem Bruker Endeavour Diffraktometer (Modell D4/MAX-B; Bruker, Billerica, MA, USA) erhalten. Der Sweep von 2θ war von 4 bis 80° mit einem 0,02°-Schritt und einer Zählzeit von 1 s. Das Diffraktometer wurde bei 20 mA und 40 kV mit einer Kupferkathodenlampe (λ = 1,541 Å).

FTIR-Spektren der Nanokomposite wurden unter Verwendung eines Spectrum Two FTIR-Spektrometers (× 1720) (PerkinElmer, Waltham, MA, USA) mit der abgeschwächten Totalreflexionsfunktion (ATR) erhalten. Jedes Spektrum wurde durch aufeinanderfolgende Scans im Bereich von 4000–500 cm ⁻¹ . erhalten mit einer Auflösung von 1 cm ⁻¹ .

Mechanische Eigenschaften (Zugversuch)

Zugversuche in Anlehnung an die Norm ASTM D638 wurden auf einer smarTens Universalprüfmaschine (Modell 005; Emmeram Karg Industrietechnik, Krailling, Deutschland) bei einer Prüfgeschwindigkeit von 50 mm/min und einer Kraftmessdose von 1 kN durchgeführt. Die V-Typ-Proben wurden durch Pressen bei Formtemperaturen von 160°C hergestellt. Die Vorwärm-, Press- und Abkühlzeiten betrugen 7, 5 bzw. 1 min. Fünf Proben von jedem untersuchten NC und MC wurden hergestellt und die Zugfestigkeit, der Bruchdehnungsprozentsatz und der Modul wurden erhalten.

Thermische Eigenschaften

Die TGA wurde mit einer Thermo-Mikrowaage TG 209 FI Iris® (NETZSCH-Gerätebau GmbH, Selb, Deutschland) durchgeführt. Die Proben im Bereich von 3 bis 10&supmin; mg wurden in Aluminiumtiegel gegeben, die dann in das Instrument geladen wurden. Die Massenänderung als Funktion der Temperatur wurde gemessen, indem die Proben von 20 auf 600 °C mit einer Geschwindigkeit von 10 °C/min unter einem N₂ . erhitzt wurden Atmosphäre.

Die DSC-Analyse wurde unter Verwendung eines NETZSCH-Differentialscanningkalorimeters (Modell DSC 204 F1) durchgeführt. Nanokomposit-Proben (5–10 mg) wurden in versiegelte Aluminiumtiegel gegeben, die mit einer Geschwindigkeit von 10 °C/min unter konstantem N₂ . von 25 auf 200°C erhitzt wurden Flussrate von 20 ml/min. Die Schmelztemperatur (T _m ) wurde aus dieser DSC-Analyse erhalten.

Antimikrobielle Aktivitätsassays der NCs und MCs unter Verwendung von Agardiffusion

Die antibakterielle Aktivität der Nanokomposite und Kompositmaterialien auf Basis von Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs und CuSO₄ wurde mit der Methode der Diffusionswachstumskinetik in Agar bestimmt. Die Analyse erfolgte in zwei Stufen nach dem Protokoll von Jaramillo et al. [35]. Es wurden vier Bakterienstämme verwendet:zwei klinische Stämme, A. baumannii (ABA 538) isoliert aus einer intrahospitalen Infektion und E. fäkalien (6.4) von einer oralen Infektion, und zwei Sammelstämme, S. aureus (ATCC) und S. mutans (ATCC 25175).

Die erste Stufe bestand aus einer qualitativen Bewertung der antibakteriellen Aktivität, um auszuwählen, welche der drei Konzentrationen von Nanokompositen und Verbundmaterialien verwendet werden sollten, um die quantitativen Tests durchzuführen, um das experimentelle Design zu reduzieren, da die Verwendung von drei Beladungskonzentrationen sehr teuer wäre. Nach den Bewertungstests wurde die Probe mit dem Belastungsprozentsatz ausgewählt, der die beste Kontakthemmung zeigte. Um die qualitativen Tests durchzuführen, A. baumannii (ABA 538), E. fäkalien (6.4), S. aureus (ATCC) und S. mutans (ATCC 25175) wurden separat auf Trypticase-Soja-Agar (TSA) ausgesät und über Nacht bei 37 °C inkubiert. Nach der Kultivierung wurde eine gut isolierte Kolonie ausgewählt und unter Verwendung einer Impföse in ein Röhrchen mit 4–5 ml TSA-Brühe überführt. Die Brühe wurde erneut über Nacht bei 37 °C inkubiert, bis sie die Trübung von 0,5 auf der McFarland-Skala erreichte oder überstieg. Die Trübung des Inokulums wurde dann mit Kochsalzlösung bis auf 0,5 auf der McFarland-Skala unter Verwendung eines Trübungsmessers eingestellt. Die zubereitete Suspension enthielt ungefähr 1 × 10 ⁸ KBE/ml, das auf 1:10 verdünnt wurde, um eine endgültige Impfkonzentration von 10 ⁷ . zu erhalten KBE/ml. TSA-Platten wurden mit jedem Inokulum gleichförmig ausgesät. Dann Blätter (10 × 10 mm ² ) der Nanokomposite und des Verbundmaterials in Konzentrationen von 1, 3 und 5 % sowie eine PBAT-Kontrolle wurden auf die Oberfläche der TSA-Platten aufgebracht und auf gute Haftung überprüft. Schließlich wurden die Platten in einen Ofen gestellt und bei 37 °C für 24 Stunden inkubiert, um die Hemmung der PBAT-Proben zu beobachten

Die zweite Stufe der Wachstumskinetikmethode bestand aus quantitativen Tests, die nur an den Nanokompositen und Kompositmaterialien durchgeführt wurden, bei denen im qualitativen Test eine Kontakthemmung erkennbar war. Um die Sterilität aufrechtzuerhalten, wurden die Tests unter Verwendung einer biologischen Sicherheitswerkbank vom Typ A2 der Serie 1200 (ThermoFisher Scientific, Waltham, MA, USA) durchgeführt. Zuerst wurden die Proben vorkonditioniert, indem sie in sterile Petrischalen gelegt und in die Biosicherheitswerkbank gebracht wurden, wo sie auf jeder Seite 15 min UV-Licht ausgesetzt wurden. Als nächstes wurden 24-Stunden-Bakterienkulturen jedes Stamms auf eine Trübung von 0,5 auf der McFarland-Skala eingestellt, um anschließend sechs serielle Verdünnungen (1, 2, 3, 4, 5 und 6) zu erzeugen. Eine anfängliche Zählung wurde an den Verdünnungen 4, 5 und 6 (in dreifacher Ausführung) durchgeführt, um die Zählung zum Zeitpunkt Null zu bestimmen.

Nasskammern, eine für jede Bewertungszeit (2, 4, 6 und 8 h) und für jeden Stamm, wurden hergestellt, indem sterile Gaze, die mit sterilem destilliertem Wasser befeuchtet war, in sterile Petrischalen gelegt wurde. Dann wurde ein steriler Objektträger in jede Nasskammer gelegt, so dass die Oberseite die nasse Gaze nicht berührte. Als nächstes drei 1 × 1-cm ² Blätter der Nanokomposite und des Verbundmaterials und PBAT-Blätter als Kontrollen wurden mit Hilfe einer sterilen Klammer in die Kammern gelegt. Verdünnung (20 µl) wurde auf jedes quadratische Blatt aufgetragen und die Kammern wurden 2, 4, 6 und 8 Stunden bei 37 °C inkubiert

Nach der Inkubation wurden die Nasskammern extrahiert und jede Polymerfolie wurde mit 1 ml sterilem destilliertem Wasser in ein Falcon-Röhrchen gegeben. Die Röhrchen wurden 2–5 min gevortext [35]. Aus dem Produkt in den Falcon-Röhrchen wurden drei Verdünnungen hergestellt. Petrischalen, die TSA enthielten, wurden in vier Teile geteilt. Ungefähr drei bis fünf Tropfen (entsprechend 20 µl) jeder der drei Verdünnungen und ein Tropfen des unverdünnten Falcon-Röhrcheninhalts wurden in die Quadranten gegeben. Die Agarplatten mussten vollständig trocken sein, damit die Tropfen fast augenblicklich aufgenommen wurden. Die Platten wurden dann 24 h bei 37 °C inkubiert, gefolgt von einer Koloniezählung mit einem Kolonienzähler. Die erhaltenen Daten wurden mit dem verwendeten Verdünnungsfaktor multipliziert und in Diagrammen unter Verwendung der Logarithmusfunktion oder des Überlebensprozentsatzes dargestellt.

Ergebnisse und Diskussion

Die Rheometrie wird verwendet, um dynamische Messungen der rheologischen Eigenschaften von Nanokompositen unter Bedingungen zu erhalten, die den tatsächlichen Bedingungen, unter denen die Nanokomposite verarbeitet wurden, nahe kommen. Dazu wurden Messungen durchgeführt, um die Viskositätsänderungen während des Schmelzmischens zu kontrollieren. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Zusätzliche Datei 1 dargestellt:Abbildung S5. Der Anstieg des Motordrehmoments hängt mit der Schmelzviskosität des Polymers zusammen [21, 36] und die Werte beginnen nach 4 min Mischen konstant zu sein. Dies bestätigt, dass die in dieser Arbeit festgelegte Mischzeit von 7 min ausreicht, um eine vollständige Durchmischung zu erreichen.

Die Drehmomentwerte für die PBAT- und NCs-PBAT/Cu-1%-Matrix lagen bei etwa 19,86 N m. Die Kurven (zusätzliche Datei 1:Abbildung S5) zeigen, dass eine Konzentration von 1 % an Cu-NPs wenig Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Matrix hatte, jedoch wurden niedrigere Gleichgewichtsdrehmomentwerte von 18,4 und 17,4 N m für NCs-PBAT/Cu 3 . erhalten % bzw. NCs-PBAT/Cu 5%. Diese Ergebnisse implizieren eindeutig, dass die Verarbeitbarkeit von NCs-PBAT/Cu gegenüber der PBAT-Matrix verbessert wurde [37]. Ähnliche Ergebnisse wurden mit der Mischung aus NCs-PBAT/Cu|Cu₂ . erhalten O, wobei der Gleichgewichtsdrehmomentwert mit der Zunahme des Lastprozentsatzes auf 3% abnahm, aber die 5%ige Last einen Wert ergab, der dem der 1%igen Last von Cu|Cu₂ . sehr nahe kam O-NPs. Die Gleichgewichtsdrehmomentwerte betrugen 19,39, 19,07 und 19,37 Nm für 1, 3 bzw. 5 %. Für die MCs-PBAT/CuSO₄ Mischung, die Gleichgewichtsdrehmomentwerte stiegen mit der Belastung von CuSO₄ erhöht, d. h. 18,71 N m für 1%, 19,16 N m für 3% und 19,79 N m für 5% Last. Dieses Verhalten kann auf die Größe des CuSO₄ . zurückgeführt werden Kristalle. Gleichzeitig zeigt zusätzliche Datei 1:Abbildung S5, dass das Gleichgewichtsdrehmoment aller Nanokomposite und Verbundmaterialien mit zunehmender Mischzeit stabil war, was darauf hindeutet, dass im Mischer keine thermische Zersetzung stattfand, wahrscheinlich weil die Nanopartikel die Kohäsionskräfte zwischen den Polymerketten verringern und führen höchstwahrscheinlich eine Selbstschmierung im Mischprozess durch [37].

Morphologische und strukturelle Eigenschaften

Zunächst wurden die durch chemische Reduktion erhaltenen Nanopartikel analysiert. Die Ergebnisse der Synthese von Cu|Cu₂ O-NPs sind in Abb. 1b gezeigt. Die TEM-Aufnahme zeigt eine Mischung aus kugelförmigen Partikeln und polyedrischen Partikeln. Der durchschnittliche Durchmesser der kugelförmigen Nanopartikel betrug 26 nm (Abb. 1c), während der Durchmesser der polyedrischen Nanopartikel zwischen 80 und 160 nm lag. Die Zusammensetzung dieser Nanopartikel wurde durch Selected Area Electron Diffraktion (SAED) (Abb. 1c) bestimmt, die Phasen entsprechend dem Metall Cu und Cu₂ . fand O. Dieser Befund wurde durch das in Abb. 1a gezeigte Diffraktogramm bestätigt. Sechs Beugungspeaks wurden deutlich bei 2θ  =~36,3°, 42,17°, 43,42°, 50,63°, 61,47° und 74,37° beobachtet. Da die Nanopartikel durch chemische Reduktion von CuSO₄ . synthetisiert wurden zu CuO wurden die Beugungspeaks durch die Daten für Cu in der X’Pert HighScore-Datenbank der Röntgenpulverbeugungsmuster verifiziert. Wir beobachteten, dass die Peaks bei 2θ = 43,2°, 50,63° und 74,37° zu den metallischen Cu-Beugungsebenen (111), (200) und (220) gehören. Die anderen drei Peaks zeigen, dass die synthetisierten Nanopartikel mehr als eine Substanz enthielten, sodass das Beugungsmuster eine Kombination aus beiden ist. Wijesundera [38] analysierte dünne Schichten von Cu₂ O unter Verwendung von XRD und zeigte, dass die bei 2θ = 36,3°, 42,17° und 61,47° gebeugten Ebenen den Miller-Indizes (111), (200) und (220) entsprechen. Diese Indizes gehören zu einer kubisch-flächenzentrierten Struktur (FCC), die einem Teil des zentralen Bereichs einer Antifluorit-Struktur entspricht, die mit der Struktur von Cu₂ . übereinstimmt O, gemäß den Ergebnissen der SAED-Analyse.

a XRD von Cu- und CuO2-Nanopartikeln synthetisiert. b , c TEM-Bild, Größenverteilung und Beugungsmuster der synthetisierten Nanopartikel. d XRD von Cu-Nanopartikeln. e , f TEM-Bild, Größenverteilung und Beugungsmuster von Cu-Nanopartikeln

Wanget al. [39] fanden heraus, dass bei der Synthese von Cu-NPs durch chemische Reduktion die Partikelgröße zwischen 100 und 150 nm lag. Sie haben C₆ . verwendet H₈ O₆ als Reduktionsmittel und Poly(vinylpyrrolidon) (PVP) als Tensid. Die Flächen entsprachen nicht denen von Cu₂ O, weil das PVP dazu beigetragen hat, die wachsenden Samen zu stabilisieren und so deren Oxidation zu vermeiden. Das Ziel unserer Untersuchung war jedoch die Synthese von Cu₂ O-NPs, die durch chemische Reduktion ohne die Verwendung eines Stabilisierungsmittels wie PVP erhalten werden können.

Die bei der Herstellung des Nanokomposits verwendeten Cu-NPs waren kugelförmig mit einem Durchmesser zwischen 100 und 200 nm (Abb. 1e, f). In dem in Abb. 1d gezeigten XRD-Muster für Cu-NPs entsprechen die drei klar beobachteten Peaks bei 43,60°, 50,72° und 73,95° den Kristallebenen (111), (200) bzw. (220). Die kubische Kristallstruktur mit einer Fm3m-Raumgruppe (JCPDS Nr.85-1326) [55] stimmt mit der durch SAED-Analyse gefundenen Struktur überein (Abb. 1d).

Die in unserer Studie verwendeten Metallpartikel wurden laut Anbieter mittels einer mechanischen Mahlanlage gewonnen. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass ein kleiner Prozentsatz der Partikel (~ 10%) größer als 500 nm ist. Dies hatte jedoch keinen negativen Einfluss auf die Ziele unserer Untersuchung. Im Folgenden zeigen wir, wie sich diese Dispersion auf die thermomechanischen Eigenschaften der PBAT-Matrix auswirkte. Wichtig ist, dass mechanische Mahlverfahren keine Vorläufer oder Stabilisatoren verwenden, wie dies bei Nasssyntheseverfahren der Fall ist, die als chemische Reduktionsverfahren bekannt sind. Daher wird die Oberfläche der durch Mahlen erhaltenen Cu-NPs nicht durch die Adsorption von Molekülen von einem Stabilisator oder einem Reaktionsnebenprodukt passiviert. Somit verbessern diese Cu-NPs, obwohl sie die mechanischen Eigenschaften des Polymers nicht wesentlich verbessern, diese auch nicht. Allerdings müssen die antimikrobiellen Eigenschaften verbessert werden, da die Migration von Cu ²⁺ wird auf nicht passivierten Oberflächen erleichtert.

Abbildung 2 zeigt die XRD-Spektren von NCs-PBAT/Cu (Abb. 2a), NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O (Abb. 2b) und MCs-PBAT/CuSO₄ (Abb. 2c). Abbildung 2c wurde in drei Konzentrationen hergestellt (1, 2 und 3 % w .) /w ). Diese Diffraktogramme wurden mit denen der PBAT-Polymermatrix verglichen, um den Einfluss der Belastungen auf die Polymerstruktur zu demonstrieren. Das PBAT-Diffraktogramm zeigte ein Beugungsmuster mit fünf Beugungspeaks bei 2θ = 16,1°, 17,3°, 20,2°, 23,1° und 25°, entsprechend den Ebenen (011), (010), (101), (100) und (111) bzw. Diese Analyse zeigte die Existenz von Kristallinität in der Polymermatrix. Die Charakterisierung von PBAT durch Arruda et al. [40] mit XRD fanden auch die gleichen fünf Beugungspeaks bei den gleichen Winkeln wie in dieser Untersuchung, entsprechend den gleichen Ebenen.

Diffraktogramm von PBAT, NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O und MCs-PBAT/CuSO₄

Die Diffraktogramme der Nanokomposite mit Cu-NPs-Beladungen sind in Abb. 2a dargestellt. Die 2θ-Signale bei 43°, 50° und 74° sind charakteristisch für die Ebenen (111), (200) und (220) der FCC-Struktur von Cu mit einer Fm3m-Raumgruppe (JCPDS No.85-1326) [ 41]. Keine Phasen entsprechend CuO oder Cu₂ O wurden im Diffraktogramm von NCs-PBAT/Cu beobachtet, sodass wir schlussfolgerten, dass die Nanopartikel während der Synthese des Nanokomposits nicht oxidiert wurden. Darüber hinaus zeigen die Diffraktogramme, dass die Nanopartikel die Struktur der PBAT nicht beeinflussten oder veränderten und dass die Intensität der Peaks direkt proportional zum Beladungsprozentsatz der Cu-NPs ist. Die Diffraktogramme der NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O hat sechs charakteristische Peaks bei 2θ = 36,4°, 43°, 42,4°, 50°, 61,5° und 74° (Abb. 2b). Laut Literatur und Analyse der Nanopartikel entsprechen nur drei dem metallischen Cu und die Peaks bei 36,4°, 42,4° und 61,5° gehören zu Cu₂ O, gemäß dem Spektrum dieser Art von Nanopartikel, das in Abb. 1a gezeigt ist [35].

Die Beugungspeaks, die dem Cu|Cu₂ . entsprechen Die Verstärkungen der O-NPs wurden intensiver, wenn die Konzentration innerhalb der Matrix zunahm, aber die zur kristallinen Zone des Polymers gehörenden Peaks nahmen mit der Aufnahme von Lasten leicht an Intensität ab. Chivracet al. [42] berichteten über ähnliche Ergebnisse in einer Studie mit vielen Nanotonen in PBAT. Sie schlugen vor, dass es keine signifikante Transkristallinität an der Grenzfläche Beladung-Polymer gab und es daher keine Veränderungen in der kristallinen Struktur des Polymers gab. Die Abnahme der Intensität der Beugungspeaks des PBAT mit zunehmender Konzentration der Ladungen in der Matrix weist jedoch auf eine Abnahme der Kristallinität des PBAT hin. Daher behindern die Belastungen das Kristallwachstum des PBAT. Dies könnte die leichte Abnahme der zum PBAT gehörenden Beugungspeaks mit der Zunahme von Cu|Cu₂ . erklären O-NPs.

Abbildung 2c zeigt die XRD-Spektren von MC-PBAT/CuSO₄ für die drei Konzentrationen von CuSO₄ von 1, 3 und 5 %. Die Zugabe von 1% CuSO₄ Belastung erzeugte keine Veränderungen im Polymer. Die 3 und 5 % CuSO₄ Lastkurven zeigen nur eine minimale Zunahme der Intensität der Peaks bei 2θ = 36,4°, 40,25°, 43,94°, 57,9° und 75,7°, die zu den Cu und Cu₂ . gehören O vorhanden, was darauf hinweist, dass ein Bruchteil des Cu₂ SO₄ wurde während des Mischprozesses reduziert und oxidiert. Was die kristalline Zone des PBAT betrifft, so steigt die Konzentration von CuSO₄ Verstärkungen verringerten die Intensität der Beugungspeaks in PBAT, wie es bei NCs-PBAT/Cu und NCs-PBAT/Cu|Cu₂ . auftrat O. Somit ist der Einbau von CuSO₄ in die Polymermatrix verringerte seine Kristallisationskapazität, wahrscheinlich weil CuSO₄ behindert das Wachstum von Kristalliten. Da keine zusätzlichen Informationen zu den XRD-Spektren von CuSO₄ in Verbundwerkstoffen berichtet wurde, müssen wir sein Verhalten in biologisch abbaubaren Polymeren untersuchen. Der Kristallinitätsgrad der Matrix wurde wie folgt berechnet:

wo ich _c ist die Fläche der Peaks der kristallinen Phase und I _c + Ich _a ist die Gesamtfläche unter dem Diffraktogramm. Die Werte für den Kristallinitätsgrad für jedes Material sind in Tabelle 1 angegeben. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Prozentsatz der Kristallinität mit der Konzentration von Cu-NPs und Cu|Cu₂ . zunimmt O-NPs nehmen in der PBAT-Matrix zu, was durch die Zunahme der Intensität der Peaks in den jeweiligen Diffraktogrammen deutlich wird.

Andererseits zeigen die Diffraktogramme, dass die Nanopartikel die Struktur des PBAT nicht beeinflussten oder veränderten und dass die Intensität der Peaks direkt proportional zum Beladungsprozentsatz der Cu-NPs und Cu|Cu_{2 O-NPs. Darüber hinaus ist die Zugabe von CuSO4 Vorläufersalz verringerte die Kristallinität des Polymers im Vergleich zu der des Polymers in seinem reinen Zustand. Diese Bedingung trat auf, weil die Zugabe von Konzentrationen der Ladungen in den Nanokompositen den relativen Prozentsatz der Kristallinität erhöhte, jedoch die Kristallinität des PBAT verringerte, ein Ergebnis, das im Allgemeinen als ein leichter Anstieg des Gesamtprozentsatzes der Kristallinität berichtet wurde. Die MCs-PBAT/CuSO4 Ladungen zeigten keine kristallinen Peaks in ihren XRD-Spektren. Daher trugen sie nicht zum Anstieg der Kristallinität bei, sondern verursachten eine Abnahme der Kristallinität in der Polymerkette, was die Abnahme des Gesamtprozentsatzes der Kristallinität im Verbundmaterial erklärt. Some studies have shown that metal nanoparticles act as centers of nucleation in the orientation of the polymer chains, which in turn increases the crystallinity of the polymer [43].}

The FTIR (Additional file 1:Figure S6) spectra show that the characteristic peaks at different load concentrations are at the same frequency but have different intensities. The spectra show that as the concentration of nanoparticles in the polymer matrix increased, the intensity of the peaks corresponding to NCs-PBAT/Cu and NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O increased with respect to the PBAT. Therefore, there was no effective interaction between the chains of the PBAT and the nanoparticles. Had there been interaction, some of the signals in the FTIR spectrum would have been displaced as a result of the interaction of the functional groups of the polymer with the surface of the PBAT [40].

Mechanical Properties (Tensile Test)

To give multifunctionality to biopolymers, nanomaterials that provide special properties to a nanocomposite are usually incorporated. Their inclusion will change the mechanical properties of the material and the intensity of the changes is directly related to the union of the nanostructure with the polymer network [44]. We conducted tensile tests on the nanocomposites and the composite material. The tensile strength and maximum deformation values are summarized in Table 2.

Figure 3 shows the average curves of the tensile tests on the nanocomposites and composite material. As the permanent deformation of the material began, the effect of the concentration of the nanoparticles in the polymer could be distinguished. Figure 3a shows the results for NCs-PBAT/Cu. The results show that the inclusion of nanostructures did not considerably affect the elastic range but there were noticeable changes in the yield strength. As the concentration of the Cu-NPs increased, maximum resistance increased and maximum elongation decreased. These changes clearly indicate that the nanostructures harden the PBAT. At 3% concentration of Cu-NPs, the tensile strength slightly increased but the elongation percentage in the fracture decreased between 30 and 35%.

Stress and strain of PBAT, NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and MCs-PBAT/CuSO₄

Figure 3b shows the results of the tensile tests on the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O. The 1% load nanocomposite clearly showed an increase in tensile strength and elongation with respect to the PBAT. There was no appreciable effect on the elastic range, but it did appear to be above the yield stress. In addition, the curve for the 3% load NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O shows there was no significant difference with respect to the PBAT. The same behavior is seen with curve for the 5% load NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O. The curves for MCs-PBAT/CuSO₄ (Fig. 3c) show that the yield stress decreased for the three concentrations of CuSO₄ with respect to the PBAT.

From the results, we can conclude that the reinforcements did not significantly change the mechanical properties of the PBAT. Venkatesan and Rajeswari [45] showed a significant increase in mechanical properties by incorporating ZnO nanoparticles in a PBAT matrix with respect to that of the PBAT. Similar results with some improvements were obtained by Chen and Yang [46]. They elaborated a PBAT nanocomposite with montmorillonite nanoparticles using melt blending.

Our investigation found that the NCs-PBAT/Cu|Cu2O 3 and 5% and MCs-PBAT/CuSO4 1 and 5% had slightly decreased tensile strength, that is, there were no significant variations in the mechanical properties. However, the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 1% and MCs-PBAT/CuSO₄ 3% had slightly increased tensile strength. Therefore, no reinforcement at any concentration in the matrix caused remarkable variations in the mechanical properties of the PBAT. In addition, as the concentration of Cu-NPs increased, their mechanical properties increased the resistance of the PBAT but elongation could not be maintained. The results of the tensile tests showed that the commercial Cu nanoparticles improved the tensile strength of the PBAT slightly more than did the Cu|Cu₂ O nanoparticles and the CuSO₄ Partikel. The difference between the tensile properties found in our investigation and those in the literature could be attributed to load dispersion because the agglomerated particles act as stress concentrators [47]. Finally, the variations in the test values were explained by the preparation conditions of the test samples, the degree of crystallinity of the PBAT, the molecular mass, the degree of interaction at the polymer-reinforcement interface, and the load dispersion because the agglomerates in the matrix could act as stress concentrators.

Thermal Properties

One of the disadvantages of the PBAT is its low thermal stability because the fusion process can degrade its polymer chains [48]. Therefore, the effect of nanometric and micrometric loads on the decomposition of this biopolymer must be investigated. TGA of NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and MCs-PBAT/CuSO₄ was carried out to observe the changes in the thermal stability of the PBAT caused by the presence of Cu nanoparticles in the matrix. The TGA results are shown in Fig. 4, and the initial (T _di ) and final (T _df ) decomposition temperatures of the analyzed samples are summarized in Table 3. The thermograms show that the polymer without any load had a weight loss of 1% at 420.77 °C, while the nanocomposites NCs-PBAT/Cu 1, 3, and 5% presented a weight loss of around 3% (Fig. 4a). This suggests that the presence of Cu-NPs at concentrations of 3 and 5% slightly increases the thermal stability of the nanocomposites compared to that of the unloaded polymer. After the final thermal decomposition, the degradation percentages, at around 420–427 °C, of the PBAT matrix and nanocomposites NCs-PBAT/Cu 1, 3, and 5% were 98.9, 97.5, 95.4, and 96.8%, respectively. The residues were higher for Cu-NPs-incorporated nanocomposite samples. Similar results have been reported for PBAT nanocomposites with different loads of Ag-NPs [49].

TGA of a PBAT and NCs-PBAT/Cu, b NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and c MCs-PBAT/CuSO₄ , DTG of d PBAT and NCs-PBAT/Cu, e NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, f MCs-PBAT/CuSO₄

Although no significant change is seen among the curves in Fig. 4b for the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, the results show that as the Cu|Cu₂ O-NPs increased in the polymer structure, T _di increased and T _df decreased with respect to the initial and final degradation temperatures of PBAT; in addition, the total mass loss decreased. By calculating the derivative of the mass with respect to the temperature, we obtained the curves in Fig. 4d–f for the indicated peaks of the nanocomposite with Cu|Cu₂ O-NPs and found that T _df , at which the maximum decomposition occurs, was between 402 and 403 °C (Table 3).

The CuSO₄ loads incorporated into the polymer matrix, i.e., MCs-PBAT/CuSO₄ , yielded the same behavior as that of the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, with an increase in T _di and a decrease in T _df with respect to the PBAT polymer. The T _di values of the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O and the MCs-PBAT/CuSO₄ were greater than that of the NCs-PBAT/Cu, but the T _df and degradation percentage values were less than those of the nanocomposites with Cu-NPs loads.

This enhancement of the thermal stability of the PBAT is attributed to the barrier effect of the loads. The loads were also supposed to have a shielding effect on the matrix to slow the rate of mass loss of the decomposition product [50]. The data obtained by our analysis were compared with published results to verify that the indicated behavior is usual for this type of polymer. Sinha Ray et al. [51] found by thermal analysis of PBAT reinforced with nanoclays that the degradation temperatures of the nanocomposites were greater than or at least equal to that of the PBAT. In general, the reinforcements improve the thermal stability of the polymer matrix because they act as a heat barrier, which improves the total thermal stability of the system. However, the studies of Sinha Ray et al. and this investigation showed that the thermal stability of the nanocomposite and PBAT compounds only slightly improved. To explain the relatively low improvement in the thermal stability of some nanocomposites, Sinha Ray et al. assumed that in the early stages of thermal decomposition, the reinforcements displace the decomposition to higher temperatures, but in a second stage, the clay layers accumulate heat and then act as a source of heat. This heat source, along with the heat flow supplied by the external heat source, promotes the acceleration of decomposition. This could explain the behavior of the reinforcements in the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O and MCs-PBAT/CuSO₄ . Thus, we conclude that the thermal properties of the nanocomposites and the composite material slightly improve but not significantly. On the other hand, the results of DSC (Additional file 1:Figure S7 and Table S1) indicated that the addition of reinforcements to the matrix slightly hindered the kinetics and degree of crystallization of the PBAT. The addition of clays increased the crystallization temperature from 1 to 10 °C and the melting temperature from 1 to 5 °C. These phenomena were probably due to an increase in the viscosity of the polymer with the addition of clays, which reduced the mobility of the macromolecular chains against the growth of crystals.

Comparative Evaluation of the Antimicrobial Activity of NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and MCs-PBAT/CuSO₄

Qualitative Test

After the experimental procedure was performed, we wanted to observe whether bacterial colonies were inhibited by each PBAT sample, i.e., NCs-PBAT/Cu 1, 3, and 5%; NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 1, 3, and 5%; and MCs-PBAT/CuSO₄ 1, 3, and 5%. We decided to use the 3% concentrations because the 1% concentrations did not produce enough bacterial inhibition and the 5% concentration produced behavior similar to that of the 3% concentration, the minimum percentage with activity that avoided toxicity in the polymer.

Quantitative Test

The study was carried out at different contact times using four bacterial strains and the PBAT samples NCs-PBAT/Cu 3%, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 3%, and MCs-PBAT/CuSO₄ 3%. The times and colony-forming unit counts (CFU/mL) are presented in Table 4, and the bacterial activity and colony count for each Petri dish are shown in Fig. 5. In addition, a graphical analysis is shown in Fig. 6, where images of bacterial growth are also presented. The statistical analysis of the data is summarized in Table 5.

Bacterial activity and colonization count PBAT, NCs-PBAT/Cu-3%, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 3%, and MCs-PBAT/CuSO₄ 3% for each strain of bacteria. Staphylococcus aureus , Acinetobacter baumanni , Enterococcus faecalis , Streptococcus mutans

Graphical analysis of colony count (CFU/mL) vs time (h) of PBAT, NCs-PBAT/Cu-3% NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 3%, and MCs-PBAT/CuSO₄ 3% for each strain of bacteria. Enterococcus faecalis , Acinetobacter baumanni , Streptococcus mutans , Staphylococcus au reus

The study of A. baumannii found that the colonies grew in all periods (2, 4, 6, and 8 h) in the samples containing Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and PBAT. High bactericidal activity occurred with the sample containing CuSO₄ during exposure times of 4, 6, and 8 h, decreasing from 7 × 10 ⁵ to 0 CFU/mL. The sample containing Cu-NPs showed a significant increase in the growth of bacterial colonies from 1 × 10 ⁵ to 6 × 10 ⁶  CFU/mL, with an average of 2 × 10 ⁶  CFU/mL. The bacterial colonies in the sample containing Cu|Cu₂ O-NPs grew from 7 × 10 ⁵ in time I to 6 × 10 ⁶ in time IV, with an average growth of 3.19 × 10 ⁶  CFU/mL. Bacterial growth in the PBAT reached an average of 1.75 × 10 ⁶  CFU/mL.

The study of E. faecalis found good bactericidal activity by the samples containing Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and CuSO₄ , with average colony growth of 5 × 10 ² , 1 × 10 ⁴ , and 2.2 × 10 ³  CFU/mL, respectively, while the PBAT did not show bactericidal activity and the colonies grew at all times. Colony growth in the sample containing Cu-NPs was 2 × 10 ³  CFU/mL at 2 h then dropped to zero at 4, 6, and 8 h, whereas the samples containing Cu|Cu₂ O-NPs had 0 CFU/mL at times I, II, and III, but 4 × 10 ⁴  CFU/mL at time IV. Samples containing CuSO₄ prevented the growth of bacteria in times I and II with growth activity of 0 CFU/mL, but colonies grew to 4 × 10 ³ and 5 × 10 ³  CFU/mL for times III and IV, respectively. PBAT did not show bactericidal activity against E. faecalis .

The study of S. mutans found no colony growth in the samples containing Cu|Cu₂ O-NPs and CuSO₄ . The sample containing Cu-NPs showed very good bactericidal activity except at time I, at which colony growth was 4 × 10 ³  CFU/mL, making the average growth for the four times 8 × 10 ²  CFU/mL. PBAT without reinforcement showed no bactericidal activity against S. mutans . The samples containing Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and CuSO₄ in contact with S. aureus showed an excellent bactericidal response. They completely inhibited the growth of colonies, while PBAT did not show any bactericidal activity against S. aureus , which grew an average of 6 × 10 ³  CFU/mL.

In general, the antibacterial effectiveness of polymer-and-metal nanocomposites improves with a high surface/volume ratio, which increases the number of ions released from the nanoparticles into the polymer. The mechanism of the corrosion of Cu in aqueous solutions and the resulting Cu species vary with pH. In general, the species Cu₂ O and CuO are formed and can be dissolved in Cu ions. Elemental metal particles require the presence of water and oxygen molecules to release a small amount of ions. Therefore, retention of water and oxygen within the polymer is crucial for the release of Cu ions. Some properties of polymer-and-metal nanocomposites such as the crystallinity and polarity of the matrix, which constitute a barrier for the diffusion of water molecules and ions during their propagation, can affect the rate of release. Shankar and Rhim [49] prepared films composed of PBAT and Ag nanoparticles (PBAT/Ag-NPs) that showed strong antibacterial activity against E. coli and Listeria monocytogenes compared with that of PBAT films without Ag-NPs. Similar results were obtained by Venkatesan and Rajeswari [45] when they evaluated the antimicrobial activity of ZnO-NPs incorporated in a PBAT matrix. The PBAT compound, which was used as a control matrix, showed no antimicrobial activity compared to the PBAT/ZnO-NPs nanocomposite films. The results showed that the films had high bactericidal activity against the pathogens tested (E. coli und S. aureus ), with increased inhibition of bacterial growth as the ZnO load concentration increased from 1 to 10% by weight. This ability of Cu, Zn, and Ag nanoparticles to inhibit bacterial growth is mainly due to the irreparable damage to the membrane of the bacterial cells caused by the interaction between the surface of the bacteria and these oxides and metals [52, 53]. Compared with the works discussed above, our investigation found significant antimicrobial activity against inpatient and oral-resistant strains.

To complement this investigation, we performed water absorption tests using three different media and following point 7.4, “Long-Term Immersion”, in ASTM D570-98. The results of these tests are reported in the supplementary material, Additional file 1:Table S2–S4 and Figure S8, with their respective analysis. Analysis showed that sulfate-based composite materials absorb large amounts of water, even in acidic and basic environments. This phenomenon greatly affects the mechanical properties of these materials; however, resistant bacteria, such as A. baumannii , require an immediate Cu ⁺ distribution to control them. This explains the antimicrobial power of CuSO₄ within the PBAT matrix.

Conclusions

Using XRD and TEM, we determined that the synthesis of nanocomposites and material composites based on PBAT using chemical reduction and a mixture of metal Cu nanoparticles with CuO₂ , where Cu had a spherical morphology and Cu₂ O had a polyhedral morphology. The structural characterization of the NCs and MCs by FTIR and XRD showed that the Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and CuSO₄ reinforcements did not modify the structure of the PBAT. However, they did slightly alter the percentage of its crystallinity, which increased with NPs and decreased with CuSO₄ . On the other hand, the mechanical properties of the PBAT for both the NCs and MCs did not vary significantly with the addition of reinforcements, meaning that the PBAT maintained its mechanical properties. From the thermal tests, we concluded that reinforcing the PBAT did not fundamentally improve its thermal properties, it only increased its thermal stability a few degrees Celsius, which is not significant. Antimicrobial analyses showed that the Cu|Cu₂ O-NPs within the PBAT generated antibacterial activity against E. faecalis und S. mutans and excellent bactericidal properties against S. aureus . CuSO₄ had a good bactericidal response against A. baumannii , E. faecalis , and S mutans and an exceptional response against S. aureus . The PBAT without loads did not present bactericidal properties when in contact with the bacterial strains. In general, the addition of loads into the PBAT generates bactericidal activity that the polymer does not possess by itself. The addition of CuSO₄ yielded the best antimicrobial response against the four strains used in this investigation. In the search for new applications for bionanocomposites, it will be essential to evaluate their antimicrobial response in food containers, medical devices, packaging, and other products; analyze their biocidal effects against other bacteria against which only NPs have antibacterial characteristics; and justify the expense associated with their synthesis.

Abkürzungen

Cu|Cu₂ O-NPs:

Copper/cuprous oxide nanoparticles

Cu-NPs:

Copper nanoparticles

CuSO₄ :

Copper sulfate

DSC:

Differenzkalorimetrie

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

MC:

Composite material

MCs-PBAT/CuSO₄ :

Composite materials of poly(butylene adipate-co-terephthalate) with copper sulfate

NCs:

Nanocomposites

NCs-PBAT/Cu:

Nanocomposites of poly(butylene adipate-co-terephthalate) with copper nanoparticles

NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O:

Nanocomposites of poly(butylene adipate-co-terephthalate) with copper/cuprous oxide nanoparticles

PBAT:

Poly(butylene adipate-co-terephthalate)

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TGA:

Thermogravimetrische Analyse

XRD:

Röntgenbeugung