Preparatie- en antibiofilmeigenschappen van zinkoxide/poreuze anodische aluminiumoxide composietfilms

Resultaten en discussie

Karakterisering van ZnO-films

XRD-karakterisering van de ZnO-poeders bereid door het Sol-gel-proces

De antibacteriële en antibiofilm eigenschappen van zinkoxide worden beïnvloed door de kristalstructuur [33, 34]. Figuur 1 laat zien dat de kristalstructuur van de monsters na het calcineren wordt getransformeerd. Vóór het calcineren bevinden de monsters zich in de hexagonale wurtzietstructuur van ZnO. De diffractiepieken bij 31,70°, 34,52°, 36,31°, 47,68°, 56,82°, 62,92° en 67,92° van 2θ komen overeen met (100), (002), (101), (102), (110), (103) en (112) kristalvlakken van zinkoxide (PDF # 36-1451, a = b = 3.250 en c =-5.207), respectievelijk. De brede diffractiepieken duiden op een lage kristalliniteit en kleine ZnO-deeltjes. Ondertussen onthullen minder onzuivere pieken het tussenproduct in het monster. Na calcineren bij 230°C verdwijnen de onzuivere pieken en neemt de gemeten ruis af, maar de breedte van de diffractiepieken is onveranderlijk. Het betekent dat het tussenproduct verdwijnt en de graad van het kristal toeneemt. Naarmate de calcineringstemperatuur stijgt, worden de diffractiepieken van ZnO scherper, wat aangeeft dat de kristalliniteit toeneemt en de kristaldeeltjes groeien.

XRD-patronen van de zinkoxidepoeders gecalcineerd bij verschillende temperaturen

Alleen gebonden water uit Zn(CH₃ COO)₂ ·2H₂ O wordt geproduceerd in de ethanoloplossing van Zn(CH₃ COO)₂ , en de hydrolyse van CH₃ COO ⁻ wordt geremd. Ten eerste, de Zn(CH₃ COO)₂ wordt gehydrolyseerd en vormt het tussenproduct.

4Zn(CH₃ COO)₂ ·2H₂ O → Zn₄ O(CH₃ COO)₆ + 2CH₃ COOH + 3H₂ O(1)

Bij het verhittingsproces wordt het collosol vergemakkelijkt door de ethanoloplossing van NaOH en het ruimtesterische effect van CH₃ COO ⁻ is van groot belang voor de stabiliteit van ZnO-collosol. Ondertussen is de neutrale reactie van CH₃ COOH met NaOH gebeurt.

5Zn₄ O(CH₃ COO)₆ + 22NaOH + 13H₂ O → 4Zn₅ (OH)₈ (CH₃ COO)₂ ·2H₂ O + 22CH₃ COONa(2)

CH₃ COOH + NaOH→CH₃ COONa + H₂ O(3)

Spanhel en Anderson [35] gaven aan dat de zinkoxide-alcogels worden gevormd uit ZnO-korrels door aggregatie en Ostwald Growth (veroudering). Dan, het tussenproduct van Zn₅ (OH)₈ (CH₃ COO)₂ ·2H₂ O wordt verwarmd en ontleed in de ZnO-fase [36, 37]. Zo is de hexagonale wurtzietstructuur van ZnO de basis van de gedroogde gelatine vóór het calcineren.

Zn₅ (OH)₈ (CH₃ COO)₂ ·2H₂ O → 5ZnO + 2CH₃ COOH + 5H₂ O(4)

Hosono et al. [37] hebben dit reactiemechanisme bevestigd. De ethanoloplossing van Zn(CH₃ COO)₂ ·2H₂ O veranderde colloïdale producten tijdens verhitting tot 60 °C, en XRD-resultaten laten zien dat het droge product van gelatine een mengsel is van kristallijn ZnO en Zn5(OH)₈ (CH₃ COO)₂ ·2H₂ O. Na 48 uur koken onder terugvloeikoeling worden de deeltjes omgezet in het wurtziet ZnO.

TG/DTA-analyse

Het TG/DTA-resultaat van zinkoxidegelatine wordt getoond in figuur 2 en de TG-curve kan in drie fasen worden verdeeld. In de eerste fase is het massaverlies 68,6% van kamertemperatuur tot 100 ° C, en er was een endotherme piek bij 62 ° C. Het komt overeen met het verloren ethanoloplosmiddel en water in zinkoxidegelatine. In de tweede fase is het massaverlies slechts 3,8% van 100 tot 400 °C. XRD-resultaten laten zien dat de onzuiverheid is verdwenen, de verhoogde kristalliniteit en de groei van kristaldeeltjes na calcineren bij respectievelijk 230, 280 en 360 ° C. Een kleine hoeveelheid massaverlies kan het verlies van poriewater en de overgang van de onzuiverheid zijn. Van 400 tot 850 ° C is er geen massaverlies en endotherme piek, wat wijst op geen kristaltransformatie in deze fase. Ondertussen laat het XRD-resultaat zien dat het kristal groeit na calcineren bij 480 ° C. De resultaten van TG/DTA zijn consistent met de XRD-resultaten.

TG/DTA-grafieken voor zinkoxidegelatine

FT-IR-karakterisering van de ongewijzigde/gemodificeerde zinkoxidefilms

Figuur 3 toont de FT-IR-spectra van de ongemodificeerde en hydrofobe gemodificeerde ZnO-films. De brede toppen van 3600-3300 cm ⁻¹ worden toegeschreven aan de rektrilling van −OH en de piek bij 1651 cm ⁻¹ wordt toegeschreven aan respectievelijk de buigtrilling van –OH, wat wijst op het geabsorbeerde water en het capillaire water in de monsters [38]. De pieken op 2360 en 2328 cm ⁻¹ worden toegeschreven aan de koolstofdioxide in de lucht. De pieken op 2943 en 2864 cm ⁻¹ zijn te wijten aan asymmetrische en symmetrische rektrillingen van −CH₂ , respectievelijk. De sterkere piek bij 1475 cm ⁻¹ wordt toegeschreven aan de in-plane buigtrilling of schaartrilling van −CH₂ groepen [39], en de piek bij 895 cm ⁻¹ wordt toegeschreven aan de rektrillingen van Si-O-groepen [40]. De pieken op ongeveer 440 en 414 cm ⁻¹ worden toegeschreven aan de raamwerktrilling van Zn-O-groepen van het ongemodificeerde/gemodificeerde ZnO [41]. De resultaten geven aan dat modificatie ervoor zorgt dat -S-S- bindingen van Si69 scheuren en dat triethoxysilylpropyl op de monsters wordt geënt, waardoor de hydrofobe eigenschappen van ZnO-films toenemen. Wang [42] rapporteerde dat nano-ZnO-dispersie zou kunnen worden verbeterd door in situ modificatie van Si69 en Si69 geënt op het oppervlak van nano-ZnO-deeltjes door de chemische reactie. Dit komt overeen met onze analyseresultaten.

FT-IR-spectra van de ongewijzigde/gemodificeerde zinkoxidefilms

Micromorfologieanalyse van PAA-films

De morfologie van PAA-films wordt beïnvloed door de tweede geanodiseerde oxidatietijd. Zoals weergegeven in figuur 4, is de PAA-film na het verwijderen van de aluminiumoxidelagen van de eerste anodisatie een serried hexagonaal honingraatframe met nanoporiën van 5-10 nm (figuur 4a). Na anodisatie in twee stappen gedurende 40 minuten worden de nanoporiën getransformeerd in meerlagige schaalframes (figuur 4b). Na anodisatie in twee stappen gedurende 60 minuten vervagen de meerlagige schaalframes en wordt de diameter van de nanoporiën vergroot tot 20-40 nm, terwijl er richels op het oppervlak zijn (figuur 4c). Door de anodisatietijd in twee stappen uit te breiden tot 80 min, worden de nanoporiën vergroot tot 60-70 nm en zijn de ribbels verdwenen (Fig. 4d).

SEM-afbeeldingen van het poreuze anodische aluminiumoxide (PAA) met verschillende tijden van tweede anodisatieduur a 0 min, b 40 min, c 60 min, en d 80 min

Volgens de theorie van zure veldondersteunde oplossing (AFAD) [43] werden de oxidefilms van de barrièrelaag tijdens het anodisatieproces niet-uniform en werden de richels gevormd. Op deze punten wordt de vorming en ontwikkeling van de microporeuze cellen bevorderd door de verergerde AFAD. Terwijl de tweede anodisatietijd verlengt, worden de geordende en doorgaande gaten geleidelijk op het oppervlak gevormd en vervolgens verdwenen de meerlagige schaalframes en richels (Fig. 4b-d). Het resultaat is vergelijkbaar met dat van Reddy's, dat PAA bereidde via een anodisatieproces in twee stappen in 0,3 mol/L oxaalzuur [44].

Micromorfologieanalyse van ZnO-films

De antobiofilm-eigenschappen van de materiaaloppervlakken worden beïnvloed door hun morfologie en stoffen [12]. Zoals getoond in Fig. 5, zijn de morfologieën van ZnO-films significant verschillend die worden bereid op de PAA-films met een verschillende tijd van tweede anodisatieduur. Op de oppervlakken van PAA-film met nanoporiën van 5-10 nm zijn de geagglomereerde grote deeltjes van 20-30 nm dicht gehecht en gevormde dikke ZnO-films (figuur 5a). Op het oppervlak van PAA-film die is bereid door een anodisatieduur in twee stappen gedurende 40 minuten, blijven de meerlagige schaalframes op de ZnO-film (figuur 5b). Zoals weergegeven in figuur 5c, zijn de ZnO-deeltjes gehecht aan het skelet van PAA-film en grotere gaten gevormd. Op het monster met nanoporiën van 60-70 nm zijn de ZnO-deeltjes van 10-20 nm bevestigd aan de rand van de PAA-gaten en een deel van de deeltjes kwam de nanoporiën binnen (figuur 5d). Dit kan het collosol zijn dat onder vacuüm de grotere gaten binnengaat en dan de ZnO-deeltjes vormt. De bovenstaande resultaten geven aan dat hoe kleiner de nanoporiëndiameters van PAA, hoe hoger de hechtsnelheid van ZnO is. Wu et al. [45] bedenk dat de collosoldeeltjes gemakkelijk worden gevormd op de wand van de gaten vanwege het negatieve van sol-deeltjes en het positieve van PAA-poriewanden. De bevinding is ook consistent met de studie van Bousslama et al. [46]. Het collosol hecht zich gewoon aan de wand van gaten wanneer de PAA-film 24 uur in zinksol wordt ondergedompeld, en dan zijn de gaten 48 uur vol, wat aangeeft dat de collosoldeeltjes zich bij voorkeur hechten aan de wand van gaten.

SEM-afbeeldingen van de ZnO-films bereid op PAA met verschillende tijdsduur van anodisatie in twee stappen a 0 min, b 40 min, c 60 min, en d 80 min

De bovenstaande resultaten laten zien dat de collosoldeeltjes gemakkelijk grote gaten binnendringen en zich onder vacuüm aan het binnenoppervlak hechten; de collosoldeeltjes hechten zich echter alleen met de kleine gaatjes aan de skeletten van buitenoppervlakken van PAA.

De TEM-afbeeldingen van de ZnO-film die is geschoren van de ZnO / PAA-composietfilm worden getoond in Fig. 6. Op het PAA-oppervlak dat alleen is voorbereid door anodisatie in één stap, zijn de gedelamineerde ZnO-deeltjes ongeveer 10 nm, maar de deeltjes van 20-30 nm worden weergegeven in SEM-afbeelding (Fig. 5a), wat aangeeft dat de ZnO-deeltjes zijn geagglomereerd. Op het PAA-oppervlak dat is bereid door anodisatie in twee stappen, zijn de gedelamineerde ZnO-deeltjes ongeveer 20 nm en is een deel van de deeltjes op de afzonderlijke locaties geagglomereerd. Het is duidelijk dat de ZnO-deeltjes eerst aan de rand van de PAA-gaten zijn bevestigd (Fig. 6c, e, f).

TEM-afbeeldingen (a , c , e , v ) en SAED-patronen (b , d ) van de ZnO-films bereid op PAA met verschillende tijdsduur van anodisatie in twee stappen a , b 0 min c , d 40 min; e 60 min; en f 80 min

De roostervlakken (100), (101), (102), (110) en (103) van hexagonale wurtzietstructuur ZnO worden getoond in SAED-patronen (Fig. 6b, d), wat aangeeft dat ZnO een hexagonaal wurtziet is. De resultaten vallen samen met de XRD-analyse.

Hydrofobiciteit-Hydrofiliciteitskarakterisering van het ZnO-filmoppervlak

Om de bacteriële hechting van de materialen te verminderen, worden de voorbereide ZnO-films met verschillende micromorfologie behandeld om de hydrofobiciteit te verbeteren, en de watercontacthoek van het dunne filmoppervlak voor en na modificatie wordt weergegeven in tabel 1.

Vóór modificatie zijn de ZnO-films hydrofiel vanwege de oppervlaktehydroxylgroepen op de ZnO-deeltjes. De hydrofiliciteit is het beste vanwege de poreuze structuur die is voorbereid op PAA-oppervlak met een anodisatieduur in twee stappen van 40 minuten. Voor de andere monsters met een anodisatieduur in twee stappen van 60 en 80 min, neemt de hydrofilie geleidelijk af vanwege de lage lijmhoeveelheid ZnO. Voor het monster met anodisatieduur in één stap is de lage hydrofilie te wijten aan de niet-poreuze structuur.

Na modificatie worden de ZnO-films vertaald in hydrofoob. Volgens FT-IR-analyse wordt het triethoxysilylpropyl op de monsters geënt nadat -S-S- bindingen van Si69-ruptuur. Ondertussen zou het een gevolg kunnen zijn van zijn poreuze structuur en meer ZnO-deeltjes; de film heeft de hoogste hydrofobiciteit met een anodisatieduur in twee stappen van 40 min.

Karakterisering van Shewanella putrefaciens Biofilms

Chi et al. [47] meldde dat geanodiseerd aluminium geen antibacteriële activiteit heeft tegen Gram-negatieve bacteriën (Escherichia coli en P. aeruginosa ) en Gram-positieve bacteriën (Streptococcus faecalis en Staphylococcus aureus ). ZnO heeft echter een uitstekende antibacteriële en antibiofilmactiviteit [25,26,27], en er is een positieve correlatie tussen antibacteriële en antibiofilmactiviteit [48, 49]. Bovendien worden de antibacteriële eigenschappen van ZnO beïnvloed door zijn microstructuur [50, 51]. Om een ​​uitstekend antibiofilm-activiteitsoppervlak te verkrijgen, werden de ZnO-films met verschillende microstructuur bereid op PAA-films met verschillende tijden van tweede anodisatieduur, en werden de antibiofilm-eigenschappen gemeten.

De hechting van de biofilms en groeicurven van de biofilmbacteriën

De vorming en ontwikkeling van bacteriële biofilm kan in vijf fasen worden geconcludeerd:de omkeerbare hechting van bacteriën aan het oppervlak in eerste instantie; de omzetting van de reversibele hechting naar de onomkeerbare hechting; de initiële vorming van de biofilm; de ontwikkeling van de gerijpte biofilm; en het degenereren van de biofilm en de bacteriën keren terug naar de planktonische toestand [52].

Zoals getoond in Fig. 7(1), in 2 uur, de hechting van Shewanella putrefaciens biofilm op de ZnO-films neemt snel toe, wat de conversie illustreert van de omkeerbare hechting van bacteriën naar onomkeerbare hechting. Van 2 tot 12 uur neemt de hechting van de biofilm geleidelijk toe, wat de groeifase van biofilm is. Van 12 tot 24 uur neemt de hechting van de biofilm iets toe of af, wat het volwassen stadium van biofilm manifesteert. Na 24 uur neemt de hechting van de biofilm af en gaan de biofilms het degenererende stadium in. Figuur 7(2) laat zien dat de variatieneiging van de biofilmbacteriën overeenkomt met de hechting van de biofilm, wat aangeeft dat de ontwikkeling van de biofilm afhangt van de biofilmbacteriën.

De hechting van Shewanella putrefaciens biofilm (1 ) en koloniegroeicurve van de biofilmbacteriën (2 ) op de ZnO-films bereid op PAA met verschillende tijdsduur van anodisatie in twee stappen (a) 0 min, (b) 40 min, (c) 60 min en (d) 80 min

Bovendien zijn voor de ZnO-film die op het PAA-oppervlak is bereid met een anodisatieduur in twee stappen gedurende 80 minuten, de hechting van de biofilm en de totale hoeveelheid biofilmbacteriën beide de hoogste van de vier monsters. Voor de ZnO-film die op het PAA-oppervlak is bereid met een anodisatieduur in twee stappen gedurende 40 minuten, is de antibiofilm-eigenschap echter optimaal. Dit kan zijn vanwege de biofilmadhesie die wordt geremd door de hoogste hydrofobiciteit, en dan minder exopolysacchariden (EPS) en de andere voedingsstof tegen de groei van biofilmbacteriën. Voor de ZnO-film die op het PAA-oppervlak is bereid met een anodisatieduur in twee stappen gedurende 80 minuten, is de hydrofilie ervan goed voor de initiële hechting van de biofilm en remmen minder ZnO-deeltjes de groei van de biofilmbacteriën niet. Ondertussen voeden meer biofilm-kleefstoffen de biofilmbacteriën en vermenigvuldigen de biofilmbacteriën zich snel. In overeenstemming met ons onderzoek wordt de hechting van de biofilm geremd door de hogere hydrofobiciteit van ZnO-film in de beginfase van de biofilmvorming [49]. De hechting van biofilms wordt beïnvloed door de hydrofobe en hydrofiele eigenschappen van de materialen [14, 53, 54]. Bonsaglia et al. [14] meldde dat L. monocytogenes hechten zich gemakkelijker aan het hydrofiele oppervlak dan aan het hydrofobe oppervlak. Veel studies hebben aangetoond dat de bacteriële adhesie wordt verminderd of geremd door een hydrofoob oppervlak [47, 54]. Shaer et al. [54] indicated that the biofilm colonization on the functionalizing orthopedic hardware could be prevented by hydrophobic polycations. Chen et al. [55] also suggested that the biofilm could be inhibited by low surface free energy. The results matched those from us.

The Morphological Characteristics of Shewanella putrefaciens Biofilm

The microtopographies of Shewanella putrefaciens biofilm at various stages are shown in Fig. 8.

SEM images of the biofilms on the zinc oxide films prepared on PAA with different time of two-step anodization duration a 0 min, b 40 min, c 60 min, and d 80 min

After cultivated for 2 h, there are less adhesive materials on the ZnO film prepared on PAA without two-step anodization (a) and with two-step anodization duration for 40 min (b), but more adhesive materials and a few bacteria on the other two (c, d). It is indicated that the anti-adhesive properties of the former two are better than the latter two, it is consistent with Fig. 7. After cultivated for 12 h, more and more EPS and bacteria are attached to ZnO films, signifying the rapid growth of the biofilm. At 24 h, the EPS films are thickened gradually and biofilm bacteria grew well, indicating mature biofilms. At 36 h, the deciduous EPS films and dead bacteria illustrate the biofilm degenerating stage.

According to the antibacterial mechanisms of dissolved metallic ions, the dissolved zinc ions are combined with active proteinase of bacteria, make proteinase lose its bioactivity, and damage its bacterial cells to death [34, 56]. Thus, the antibacterial properties of the former two (a, b) are superior to the latter two (c, d) due to their plentiful ZnO particles on the films. Xie [57] and Jones [58] also thought that the antibacterial abilities strengthened with the dosage increasing of ZnO particles. Meanwhile, the adhesive materials and bacteria on the sample (d) are all more than the others, according to the analysis of adhesion of Shewanella putrefaciens biofilm and colony growth curve of the biofilm bacteria (Fig. 7). Feng et al. [59] found that the hypha of Escherichia coli easily reached into the PAA pores with diameters of 50 and 100 nm, and the biofilm accumulated and adhered to the surface of PAA. However, there is no hypha of Shewanella putrefaciens could be observed in our study. It can be inferred that the optimal antibiofilm properties are ascribed to the lower hydrophobicity of ZnO film in the initial stage of the biofilm formation.

The CLSM Characteristics of the ZnO/PAA Composite Biofilms

As shown in CLSM images, the live Shewanella putrefaciens bacteria are green, and the dead ones are red (Fig. 9). The black images indicate that the counts of live bacteria on the surfaces are few after biofilm cultivation for 2 h. Biofilm bacteria multiply rapidly, and the counts of live bacteria are significantly increased with the cultivation time. More dead bacteria are observed in the former two (a, b) at 24 h and in all samples at 36 h. The counts of dead bacteria of the latter two (c, d) are less than that of the former two (a, b). The results indicate that the antibacterial properties of the former two (a, b) are superior to that of the latter two (c, d), which is according to the previous analysis.

CLSM images biofilms formed on the zinc oxide films prepared on PAA with different time of two-step anodization duration a 0 min, b 40 min, c 60 min, and d 80 min