Antimikrobielle Leistung von PBAT-Nanokompositen und Kompositen mit Kupfer, Cu/Cu₂O-Nanopartikeln und Kupfersulfat

Zusammenfassung

Wir synthetisierten Poly(butylenadipat-co-terephthalat) (PBAT) Nanokomposite und ein Kompositmaterial durch Einarbeitung von kommerziellen Kupfer-Nanopartikeln (Cu-NPs), chemisch reduzierten Kupfer/Kupfer(I)-oxid-Nanopartikeln (Cu|Cu₂O-NPs) und Kupfersulfat (CuSO₄). Cu|Cu₂O-NPs wurden über einen einfachen Reduktionsweg hergestellt und mittels Röntgenbeugung (XRD) und Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Die resultierenden Pulver bestanden aus einem Cu/Cu₂O-Gemisch, mit kugelförmigen Cu-Partikeln von durchschnittlich 40 nm und Cu₂O-Partikeln um 150 nm. PBAT-Matrizen wurden mit 1, 3 oder 5 Gew.-% jedes Additivs über einen ex-situ Schmelzmischprozess beladen. Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR), Zugversuche, Differentialkalorimetrie (DSC), Thermogravimetrie (TGA) und Agar-Diffusionstests wurden eingesetzt, um strukturelle, thermomechanische und antimikrobielle Eigenschaften zu bewerten. Ergebnisse zeigen, dass die Additive die chemische Struktur von PBAT nicht verändern und die Kristallinität nur geringfügig erhöhen. Mechanisches und thermisches Verhalten bleiben weitgehend unverändert, mit leichtem Anstieg der Zugfestigkeit und thermischen Stabilität bei höheren Beladungen. Alle Formulierungen zeigten inhibitorische Aktivität gegen nicht-resistente Stämme Enterococcus faecalis, Streptococcus mutans und Staphylococcus aureus. Das CuSO₄-basierte Komposit zeigte den stärksten bioziden Effekt, sogar gegen den resistenten Erreger Acinetobacter baumannii. Diese Ergebnisse unterstreichen PBATs Potenzial als biologisch abbaubare, antibakterielle Plattform für biomedizinische Anwendungen.

Einleitung

Traditionelle Kunststoffe, aus fossilen Brennstoffen gewonnen, sind weitgehend nicht abbaubar und stellen erhebliche Umweltprobleme dar. Als Reaktion hat die wissenschaftliche Gemeinschaft Anstrengungen intensiviert, biologisch abbaubare Polymere zu entwickeln, die erdölbasierte Materialien ersetzen können, während sie durch Nanotechnologie verbesserte funktionale Eigenschaften bieten. Bionanokomposite – organische Matrizen dispersiert mit anorganischen Nanomaterialien – zeigen überlegene optische, thermische, mechanische, magnetische und optoelektronische Eigenschaften aufgrund der hohen Oberfläche und Reaktivität der nanoskaligen Füllstoffe.

Poly(butylenadipat-co-terephthalat) (PBAT) ist ein lineares aliphatisches Polyester, das in Flexibilität und Verarbeitbarkeit niedrigdichtem Polyethylen ähnelt, aber unter begrenzter mechanischer Festigkeit leidet. Die Einarbeitung nanoskaliger Füllstoffe kann diese Schwäche beheben und PBAT multifunktionale Attribute verleihen, einschließlich verbesserter thermomechanischer Leistung.

Kontrolle mikrobieller Besiedlung ist eine kritische Anforderung für biomedizinische Geräte wie Katheter und Endotrachealtuben. Einbetten antibakterieller Nanopartikel in eine Polymermatrix kann die intrinsischen antimikrobiellen Eigenschaften des Materials synergistisch verbessern und potenziell geräteassoziierte Infektionen verhindern. Trotz PBATs vielversprechender mechanischer und biologisch abbaubarer Profile bleibt seine Anwendung in Medizinprodukten wenig erforscht.

Metallnanopartikel, insbesondere Kupfer, weisen intrinsische antibakterielle Aktivität auf, die von Partikelgröße, Morphologie und Oberflächenchemie abhängt. Kupfers Wirksamkeit gegen ein breites Spektrum von Pathogenen – einschließlich resistenter Stämme – wurde demonstriert, doch systematische Studien, die Cu, Cu/Cu₂O und CuSO₄ in PBAT vergleichen, sind rar. Diese Studie evaluiert die antimikrobielle Leistung von PBAT-Nanokompositen mit Cu-NPs, Cu|Cu₂O-NPs und einem CuSO₄-basierten Komposit, zusammen mit umfassenden Analysen ihrer strukturellen, mechanischen und thermischen Eigenschaften.

Materialien und Methoden

Materialien

PBAT (Ecoflex, BASF, Ludwigshafen, Deutschland) diente als Polymermatrix. Kommerzielle Cu-NPs (99,99 % Reinheit, 100–200 nm, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) wurden direkt verwendet. Cu|Cu₂O-NPs wurden aus CuSO₄·5H₂O, Ascorbinsäure und NaOH via chemischem Reduktionsprotokoll synthetisiert. CuSO₄ (Sigma-Aldrich) wurde ebenfalls zur Herstellung des Kompositmaterials verwendet.

Synthese von Nanopartikeln durch chemische Reduktion

Nach Khan et al. wurde 0,1 M CuSO₄·5H₂O in Wasser (120 ml) gelöst. Die Lösung wurde in einem Propylenglykolbad auf 80 °C erhitzt, während 50 ml 10 mM Ascorbinsäure zugegeben wurde. Nach 30 min Rühren bei ~390 rpm wurden 30 ml 1 M NaOH tropfenweise hinzugefügt. Die Mischung wurde weitere 2 h gerührt, dann abgekühlt, zentrifugiert, mit Wasser und Ethanol gewaschen und sonifiziert. Das Endprodukt wurde über Nacht bei 60 °C getrocknet.

Nanokomposit-Synthese

PBAT wurde bei 140 °C geschmolzen, und 1, 3 oder 5 Gew.-% von Cu-NPs, Cu|Cu₂O-NPs oder CuSO₄ wurden hinzugefügt. Die Mischung wurde in einem Torquerheometer (Modell 835205, Brabender) bei 60 rpm für 7 min homogenisiert. Beladungen über 5 Gew.-% führten zu Fluoreszenzartefakten in Raman-Spektren, daher wurde dieses Limit festgelegt.

Charakterisierung

Strukturelle, mechanische, thermische und antibakterielle Eigenschaften wurden untersucht. Cu-NPs und Cu|Cu₂O-NPs wurden per XRD und TEM analysiert. PBAT-Nanokomposite und das CuSO₄-Komposit wurden via TGA, DSC, SEM, FTIR, XRD, Zugversuch und Agar-Diffusions-Antibakterielltests bewertet. Probenplatten (100 × 100 × 1 mm) wurden durch Pressformen (160 °C, 110 bar, 5 min) in einer Labtech Hydraulikpresse hergestellt.

Morphologische und strukturelle Eigenschaften

Cu|Cu₂O-NPs zeigten ein Gemisch aus kugelförmigem Cu (≈ 40 nm) und polyedrischem Cu₂O (≈ 150 nm) Partikeln. XRD bestätigte Cu (111, 200, 220) und Cu₂O (111, 200, 220) Reflexionen. Cu-NPs waren kugelförmig (100–200 nm) mit XRD-Peaks, die fcc Cu (JCPDS 85-1326) entsprechen. Das CuSO₄-Komposit veränderte das PBAT-Beugungsmuster nicht, obwohl bei höheren Beladungen niedriggradige Cu- und Cu₂O-Peaks auftauchten.

Mechanische Eigenschaften (Zugversuch)

ASTM D638 Zugversuche (50 mm/min, 1 kN Lastzelle) wurden an fünf Proben pro Formulierung durchgeführt. Ergebnisse zeigen, dass Cu-NPs die Zugfestigkeit leicht erhöhten und die Dehnung bei Bruch bei höheren Beladungen verringerten, während Cu|Cu₂O-NPs und CuSO₄-Komposite minimale Änderungen zeigten, wodurch PBATs inhärente Duktilität erhalten blieb.

Thermische Eigenschaften

TGA (20 °C–600 °C, 10 °C/min, N₂) zeigte, dass Cu-NPs die initiale Zersetzungstemperatur (T_di) um 3–5 °C erhöhten und die finale Zersetzungstemperatur (T_df) im Vergleich zu reinem PBAT leicht senkten. Cu|Cu₂O-NPs und CuSO₄-Komposite zeigten ähnliche Trends, jedoch mit marginal niedrigerem T_df. DSC (25–200 °C, 10 °C/min, N₂) zeigte einen moderaten Anstieg der Kristallisationstemperatur und eine leichte Abnahme der Schmelztemperatur, was den Einfluss von Nanofüllern auf Kristallisationskeimbildung widerspiegelt.

Antimikrobielle Aktivitätstests der NCs und MC mittels Agar-Diffusion

Vier Bakterienstämme wurden getestet: Enterococcus faecalis (oraler Isolat), Streptococcus mutans (ATCC 25175), Staphylococcus aureus (ATCC) und Acinetobacter baumannii (klinischer Isolat ABA 538). Ein qualitativer Diffusionstest identifizierte 3 Gew.-% als optimale Beladung für weitere quantitative Analyse. Quantitative Assays wurden in einer Sicherheitswerkbank durchgeführt, Messung von Koloniebildenden Einheiten (CFU/ml) nach 2, 4, 6 und 8 h. Ergebnisse demonstrierten signifikante bakterielle Inhibition durch CuSO₄-Komposite, besonders gegen den resistenten A. baumannii (vollständige Eradikation nach 8 h). Cu|Cu₂O-NPs unterdrückten E. faecalis und S. mutans effektiv, während Cu-NPs am potentesten gegen S. aureus waren.

Ergebnisse und Diskussion

Rheometrische Analyse bestätigte, dass 7 min Schmelzmischen Drehmoment-Gleichgewicht erreichten, was vollständige Dispersion der Nanofüllstoffe anzeigte. Die Anwesenheit von Cu-NPs reduzierte das Drehmoment um ~10 %, was auf verbesserte Verarbeitbarkeit hindeutet. Cu|Cu₂O-NPs und CuSO₄-Beladungen hatten vernachlässigbaren Einfluss auf Drehmoment, wahrscheinlich aufgrund ihrer größeren Partikelgröße.

XRD-Muster der Nanokomposite zeigen, dass Cu- und Cu₂O-Peaks mit steigendem Füllstoffgehalt an Intensität zunehmen, während PBATs kristalline Peaks leicht abnehmen, was eine moderate Reduktion der Gesamtkristallinität anzeigt. Der berechnete Kristallinitätsindex (X_c = I_c/(I_c + I_a)) stieg für Cu-NPs und Cu|Cu₂O-NPs, sank jedoch für CuSO₄-Komposite, konsistent mit beobachtetem thermischem Verhalten.

FTIR-Spektren zeigten unveränderte Funktionsgruppen-Frequenzen über alle Formulierungen, was bestätigt, dass keine chemischen Wechselwirkungen zwischen PBAT-Ketten und anorganischen Füllstoffen stattfanden.

Zugversuche ergaben, dass Cu-NPs die maximale Zugfestigkeit von 19,2 MPa (reines PBAT) auf 20,4 MPa (5 Gew.-%) erhöhten, während Dehnung bei Bruch von 35 % auf 28 % sank. Cu|Cu₂O-NPs und CuSO₄-Komposite hielten Zugfestigkeiten innerhalb von ±2 % von reinem PBAT, was zeigt, dass die mechanische Integrität von PBAT auch bei 5 Gew.-% Beladung erhalten bleibt.

TGA-Ergebnisse demonstrieren eine leichte Verbesserung der thermischen Stabilität (ΔT_di ≈ +4 °C) für alle Komposite, wobei Cu-NPs die höchste Verbesserung lieferten. Cu|Cu₂O-NPs und CuSO₄-Komposite zeigten ähnliche, aber weniger ausgeprägte Effekte. Diese Beobachtungen sind konsistent mit der Barrierefunktion anorganischer Partikel, die Massenverlust durch Behinderung des Wärmetransports verzögern.

Die antibakteriellen Tests unterstreichen die Überlegenheit von CuSO₄-Kompositen, die vollständige Inhibition von A. baumannii, E. faecalis und S. mutans innerhalb von 6 h und S. aureus innerhalb von 4 h erreichten. Cu|Cu₂O-NPs waren hochwirksam gegen S. aureus und E. faecalis, während Cu-NPs gegen S. aureus glänzten. Diese Unterschiede spiegeln die variablen Ionenfreisetzungsprofile und Oberflächenchemien der drei kupferbasierten Additive wider.

Schlussfolgerungen

Die Studie demonstriert, dass PBAT mit kupferbasierten Nanopartikeln oder Kupfersulfat funktionalisiert werden kann, um biokompatible, antibakterielle Komposite herzustellen, ohne mechanische oder thermische Leistung zu beeinträchtigen. CuSO₄-Komposite zeigten die stärkste antimikrobielle Aktivität, einschließlich gegen resistente Stämme, was sie zu attraktiven Kandidaten für biomedizinische Gerätebeschichtungen macht. Zukünftige Arbeiten sollten sich auf In-vivo-Tests, Langzeit-Biokompatibilität und Skalierung der Produktion für kommerzielle Anwendungen konzentrieren.

Abkürzungen

Cu|Cu₂O-NPs:

Kupfer/Kupfer(I)-oxid-Nanopartikel

Cu-NPs:

Kupfer-Nanopartikel

CuSO₄:

Kupfersulfat

DSC:

Differentialkalorimetrie

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

MC:

Kompositmaterial

MCs-PBAT/CuSO₄:

Kompositmaterialien aus Poly(butylenadipat-co-terephthalat) mit Kupfersulfat

NCs:

Nanokomposite

NCs-PBAT/Cu:

Nanokomposite aus Poly(butylenadipat-co-terephthalat) mit Kupfer-Nanopartikeln

NCs-PBAT/Cu|Cu₂O:

Nanokomposite aus Poly(butylenadipat-co-terephthalat) mit Kupfer/Kupfer(I)-oxid-Nanopartikeln

PBAT:

Poly(butylenadipat-co-terephthalat)

TEM:

Transmissions-Elektronenmikroskopie

TGA:

Thermogravimetrie

XRD:

Röntgenbeugung