Hiërarchische ZnO/Polyamide‑6 Nanovezels met Verbeterde Antibacteriële Activiteit Gefabriceerd door Atoomlaagdepositie en Hydrothermale Groei

Samenvatting

Deze studie demonstreert de integratie van atoomlaagdepositie (ALD) en hydrothermale synthese om elektrogesponnen polyamide‑6 (PA‑6) nanovezels (NFs) te decoreren met zinkoxide (ZnO). FE‑SEM, HRTEM en STEM tonen aan dat de dikte van de ZnO zaadlaag, gecontroleerd door het aantal ALD‑cycli, en de hydrothermale bloottijd de vorming van unieke "waterlelies"- en "rupsachtige" micro‑nanostructuren bepalen. Antibacteriële assays tegen Staphylococcus aureus laten zien dat de ZnO/PA‑6 kern‑mantel composieten de bacteriële leefbaarheid aanzienlijk onderdrukken, waarbij de rupsachtige architectuur de sterkste inhibitie biedt.

Achtergrond

Organisch‑anorganische hiërarchische nano‑structuren benutten de hoge oppervlakte‑tot‑volume verhouding van biomimetische ontwerpen, wat toepassingen mogelijk maakt in katalyse, superhydrofobe oppervlakken, opto‑elektronica, piezo‑elektronica en antibacteriële materialen. Flexibele vezels bieden in het bijzonder een hoge aspectratio, licht gewicht en treksterkte, wat ze aantrekkelijke substraten maakt voor geavanceerde nano‑structuren. Elektrospinnen is een kosteneffectieve, continue route om nanovezelmatten te produceren die verder gefunctionaliseerd kunnen worden.

Atoomlaagdepositie levert conformele, monolaag‑gecontroleerde coatings op substraten met een hoge aspectratio, wat het ideaal maakt voor het uniform decoreren van nanovezels. De combinatie van elektrospinnen en ALD heeft kern‑mantel architecturen opgeleverd zoals PA‑6/ZnO, ZnO/TiO₂, TiO₂/ZnO en andere, vaak gevolgd door hydrothermale groei om ZnO nanorods (NRs) en andere morfologieën te creëren.

In dit werk worden PA‑6 NFs gezaaid met ZnO via ALD en vervolgens aan hydrothermale behandeling onderworpen, wat resulteert in twee verschillende hiërarchische morfologieën. Deze structuren worden geëvalueerd op antibacteriële prestaties, wat hun potentie in beschermende textielen en biomedische toepassingen benadrukt.

Experimenteel Deel

PA‑6 nanovezels werden gesponnen uit een 15 wt% PA‑6 oplossing in mierenuur met een aangelegde spanning van 12 kV en een tip‑collector afstand van 10 cm. De matten werden vacuümgedroogd bij 60 °C gedurende 12 uur om resterende oplosmiddel te verwijderen. ALD van ZnO werd uitgevoerd bij 110 °C in een custom camera met diethylzink en water, met 50, 100 of 150 cycli om zaadlagen te creëren. De hydrothermale stap omvatte het dippen van de gezaaide matten in een 0,025 M hexamethylenetetramine/0,025 M zinknitraat oplossing gedurende 1, 3 of 6 uur bij 90 °C. Na groei werden de monsters gespoeld en aan de lucht gedroogd.

Morfologie werd onderzocht met FE‑SEM (Hitachi S4800, 1 kV) en HRTEM (JEM‑2100F, 200 kV). Elementaire mapping werd uitgevoerd met STEM–EDX. Kristalliniteit werd beoordeeld door XRD (Bruker D8 ADVANCE, Cu Kα). XPS (Kratos Axis Ultra, Al Kα) karakteriseerde de oppervlaktechemie. Antibacteriële activiteit werd gekwantificeerd door de meting van inhibitzones tegen S. aureus op 3 mm dikke membranen met een schuifmaat.

Resultaten en Discussie

ALD ZnO Coating op NFs

FE‑SEM beelden (Fig. 1a–d) tonen uniforme PA‑6 NFs met diameters van 125 ± 75 nm en 30 ± 16 nm. Na 150 ALD cycli is een continue ZnO mantel van ~14,6 nm dikte zichtbaar (Fig. 1e), wat conformele bedekking bevestigt. XPS spectra (Fig. 2) tonen toenemende Zn 2p signalen met het aantal cycli en een verschuiving in O 1s pieken naar lagere bindingsenergieën, wat wijst op dichtere ZnO bedekking.

PA‑6‑ZnO Hiërarchische NFs

Hydrothermale groei transformeert de ZnO zaden in nanorods wier morfologie afhangt van zowel ALD cycli als groeitijd. Na 3 uur vormen 50‑cyclus monsters waterlelie‑achtige clusters, terwijl 100‑ en 150‑cyclus monsters rupsachtige structuren ontwikkelen (Fig. 3f–h). Verlenging van de hydrothermale periode tot 6 uur verlaagt de nanorod dichtheid op onbehandelde PA‑6 NFs, maar behoudt de hiërarchische vormen op gezaaide monsters (Fig. 3i–l). TEM (Fig. 4a) bevestigt dat veel NR puntjes loskomen van het vezel, wat de waargenomen morfologievariaties verklaart.

XRD (Fig. 4c) toont aan dat langere hydrothermale blootstelling de α‑fase van ZnO bevordert en PA‑6 kristallieten heroriënteert, terwijl XPS (Fig. 5) een verschuiving van de O 1s piek naar lagere bindingsenergie met de tijd aangeeft, wat wijst op veranderingen in ZnO oppervlaktechemie.

Antibacteriële Activiteit

De diameters van de inhibitzones nemen toe met de hydrothermale tijd voor 150‑cyclus monsters, en bereiken 1,5 mm voor rupsachtige structuren versus 1,03 mm voor waterlelie‑achtige (Fig. 6). De superieure prestatie van rupsachtige NRs wordt toegeschreven aan hun hogere aspectratio en mogelijke veranderde ZnO oppervlaktechemie.

Conclusies

We hebben met succes ZnO‑gecoate PA‑6 nanovezels met controleerbare hiërarchische morfologieën gefabriceerd met behulp van ALD zaadlagen gevolgd door hydrothermale groei. Het aantal ALD cycli bepaalt of de ZnO zaadlaag continu of discontinue is, wat op zijn beurt dicteert of waterlelie‑ of rupsachtige nanorods vormen tijdens hydrothermale verwerking. Hydrothermale tijd stuurt de kristallijn oriëntatie en oppervlaktechemie van ZnO verder. Antibacteriële testen tegen S. aureus tonen aan dat rupsachtige structuren de sterkste inhibitie bieden, wat suggereert dat zowel morfologie als chemische samenstelling cruciaal zijn voor antimicrobiële effectiviteit.