Optimierung von Zinkoxid/porös-anodischen Aluminiumoxid-Kompositfilmen für überlegene Antibiofilm-Leistung

Zusammenfassung

Diese Studie berichtet über die Fertigung von ZnO/porös-anodischem Aluminiumoxid (PAA)-Kompositfilmen via zweistufiger Anodisierung gefolgt von Sol-Gel-Abscheidung von ZnO. Die Filme wurden systematisch mittels XRD, TG/DTA, FT-IR, SEM, TEM, SAED und Wasser-Kontaktwinkel (CA) Messungen charakterisiert. Die Antibiofilm-Aktivität gegen Shewanella putrefaciens wurde durch Adhäsion, Koloniebildende Einheiten, SEM und CLSM quantifiziert. Ergebnisse zeigen, dass ZnO-Nanopartikel (10–30 nm) bevorzugt an PAA-Poren nukleieren, und dass eine 40-minütige zweite Anodisierung eine hochporöse, hydrophobe Oberfläche erzeugt, die die ZnO-Beladung maximiert. Diese Konfiguration erzeugte eine superhydrophobe Oberfläche (CA > 150°) und die geringste Biofilm-Adhäsion, was die effektivste Antibiofilm-Leistung unter den getesteten Proben demonstrierte.

Hintergrund

Biofilmbildung auf industriellen Oberflächen führt zu Korrosion, Lebensmittelverderb und erheblichen wirtschaftlichen Verlusten. Oberflächeneigenschaften wie Rauheit, Mikrostruktur, Hydrophilie und antimikrobielle Additive bestimmen bakterielle Adhäsion und Biofilmreifung. Poröses anodisches Aluminiumoxid (PAA) bietet einstellbare Nanoporosität, was es für biomedizinische und lebensmittelverarbeitende Anwendungen attraktiv macht. Zinkoxid (ZnO) ist ein etabliertes antibakterielles Mittel; seine Aktivität wird durch Kristallstruktur, Partikelgröße und Oberflächenchemie beeinflusst. Die Erhöhung der Hydrophobizität von ZnO-Filmen ist essenziell, da hydrophile Oberflächen tendenziell bakterielle Anhaftung fördern. Shewanella putrefaciens, ein psychrotrophes Verderbnisorganismus, dient als relevantes Modell für die Untersuchung von Antibiofilm-Strategien in der Kühlkette-Lebensmittelkonservierung.

Materialien und Methoden

Materialien

Alle Reagenzien waren analytischer Grad; deionisiertes Wasser hatte Leitfähigkeit <0,5 mS/cm. Shewanella putrefaciens ATCC 8071 und 99,99 % Al-Folien (0,3 mm) wurden von Shengshida Metal Materials Co., Ltd. bezogen.

Herstellung von ZnO/PAA-Kompositfilmen

Poröse anodische Aluminiumoxid (PAA) Filme

Al-Folien (10 × 30 mm²) wurden poliert, entfettet und gewaschen. Erste Anodisierung: 30 °C, 40 V, 90 min in 0,3 mol/L Oxalsäure. Barriereschicht-Entfernung: 6 Gew.-% H₃PO₄ + 1,8 Gew.-% H₂CrO₄ bei 60 °C für 4 h. Zweite Anodisierung: identische Bedingungen für 0, 40, 60 oder 80 min zur Erzeugung variierender Porengeometrien.

Zinkoxid-Abscheidung

Gleiche Volumina von 0,02 mol/L Zinkacetat und 0,04 mol/L NaOH in Ethanol wurden bei 70 °C für 5 min gemischt. PAA-Filme wurden unter −0,085 MPa Vakuum eingetaucht, zum Sieden erhitzt um einen blauen Sol zu bilden, dann gespült. Proben wurden getrocknet (−0,085 MPa, 80 °C, 6 h) und bei 480 °C für 2 h kalziniert. Schließlich wurden Filme mit 1,0 Gew.-% Si69 in Ethanol bei 65 °C für 2 h modifiziert und vakuumgetrocknet (−0,085 MPa, 40 °C, 12 h).

Charakterisierung

XRD (Rigaku Ultima IV, 40 kV, 50 mA) überwachte Kristallphasen. TG/DTA (Perkin Elmer Diamond) verfolgte thermische Übergänge. FT-IR (Agilent Scimitar 2000) identifizierte Oberflächenfunktionsgruppen. SEM (Hitachi S-4800) und TEM (JEOL Jem-2100F) untersuchten Morphologie; SAED bestätigte Kristallstruktur. CA wurde mit Sessile-Drop-Methode (3,0 µL deionisiertes Wasser) gemessen. Biofilm-Assays umfassten Kristallviolett-Färbung, Plattenauszählungen, SEM und CLSM-Bildgebung.

Antibiofilm-Evaluation

Bakteriensuspensionen (OD₅₉₅ ≈ 0,5) wurden 1:200 mit 3 % APW verdünnt und mit 0,5 × 0,5 cm Filmstücken bei 28 °C inkubiert. Biofilm-Adhäsion wurde durch Kristallviolett-Extraktion (OD₅₉₅) quantifiziert. Koloniebestimmung erfolgte über Seriellverdünnung und Plattenauszählung. SEM visualisierte Biofilmarchitektur, während CLSM lebende (grün) und tote (rot) Zellen mittels Acridinorange/Propidiumiodid-Färbung differenzierte.

Ergebnisse und Diskussion

ZnO-Film-Charakterisierung

XRD

Kalzinierung induzierte einen Übergang von amorphen Intermediaten zu kristallinem hexagonalem Wurtzit-ZnO. Peaks bei 31,70°, 34,52°, 36,31°, 47,68°, 56,82°, 62,92° und 67,92° entsprachen den (100), (002), (101), (102), (110), (103) und (112) Ebenen (PDF # 36-1451). Peak-Schärfung mit höheren Kalzinierungstemperaturen zeigte zunehmende Kristallinität und Korngrößenwachstum.

Thermische Analyse

TG/DTA zeigte einen Massenverlust von 68,6 % bis 100 °C (Verdampfung von Ethanol und Wasser) und einen geringen Verlust von 3,8 % zwischen 100–400 °C (Entfernung residualer Hydroxide). Kein weiterer Verlust über 400 °C bestätigte thermische Stabilität der Wurtzit-Phase.

FT-IR

Unmodifiziertes ZnO zeigte breite O-H-Streckung (3600–3300 cm⁻¹) und wasserbezogene Peaks. Nach Si69-Modifikation traten Si-O-Schwingungen (~895 cm⁻¹) auf und Hydroxylsignale nahmen ab, was erfolgreiche Grafting und erhöhte Hydrophobizität bestätigte.

Mikrostruktur

SEM zeigte, dass PAA-Porengröße mit zweiter Anodisierungszeit expandierte: 5–10 nm (0 min), 20–40 nm (40 min), 60–70 nm (80 min). ZnO-Nanopartikel (10–30 nm) nukleierten bevorzugt an kleineren Poren, bildeten dichte Schichten auf 40-min-PAA. TEM und SAED bestätigten die hexagonale Wurtzit-Struktur der ZnO-Partikel.

Hydrophobizität

Unmodifizierte ZnO-Filme waren hydrophil (CA < 90°). Nach Si69-Behandlung stieg CA dramatisch an; die 40-min-PAA-Probe erreichte Superhydrophobizität (CA > 150°), zuzuschreiben hoher ZnO-Beladung und Rauheit.

Antibiofilm-Leistung

Biofilm-Adhäsion folgte dem klassischen Fünf-Stufen-Modell: rasche Anheftung (0–2 h), Wachstum (2–12 h), Reifung (12–24 h) und Degeneration (>24 h). Der 40-min ZnO/PAA-Komposit zeigte die geringste Adhäsion und bakterielle Anzahl über alle Zeitpunkte. Im Gegensatz dazu wies die 80-min-Probe, trotz höherer Hydrophilie, die höchste Biofilm-Akkumulation aufgrund geringerer ZnO-Dichte auf.

SEM-Bilder bestätigten, dass die 40-min-Probe minimales extrazelluläres Polymer (EPS) und weniger bakterielle Kolonien aufwies, während die 80-min-Probe dichtes EPS und reife Biofilme zeigte. CLSM bestätigte diese Befunde, wobei die 40-min-Oberfläche bei 24–36 h einen höheren Anteil toter Zellen (rot) und weniger lebender Zellen (grün) zeigte.

Schlussfolgerungen

Durch Anpassung der zweiten Anodisierungszeit auf 40 min bietet PAA eine optimale Porenarchitektur, die die ZnO-Nanopartikel-Abscheidung maximiert und nach Si69-Modifikation eine superhydrophobe Oberfläche ergibt. Diese Konfiguration inhibiert effektiv initiale bakterielle Adhäsion und stört Biofilmreifung, was den ZnO/PAA-Komposit als vielversprechendes Antibiofilm-Material für Lebensmittelverarbeitung und biomedizinische Anwendungen etabliert.

Abkürzungen

AO:

Acridinorange

CA:

Wasser-Kontaktwinkel

EPS:

Exopolysaccharide

FT-IR:

Fourier-Transform-Infrarotspektrometer

PAA:

Poröses anodisches Aluminiumoxid

PBS:

Phosphat-gepufferte Salzlösung

PI:

Propidiumiodid

SAED:

Selektierte Bereichselektronenbeugung

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TG/DTA:

Thermogravimetrische/differenzielle thermische Analyse

XRD:

Röntgenbeugung