Optimalisatie van zinkoxide/poröus anodisch alumina composietfilms voor superieure antibiofilm-prestaties

Samenvatting

Deze studie rapporteert de fabricage van ZnO/porös anodisch alumina (PAA) composietfilms via een twee-staps anodisatie gevolgd door sol-gel depositie van ZnO. De films werden systematisch gekarakteriseerd met XRD, TG/DTA, FT-IR, SEM, TEM, SAED, en watercontacthoek (CA) metingen. De antibiofilm-activiteit tegen Shewanella putrefaciens werd gekwantificeerd door adhesie, kolonie-vormende eenheid tellingen, SEM, en CLSM. Resultaten tonen aan dat ZnO-nanodeeltjes (10–30 nm) preferent nucleeren op PAA-poriën, en dat een 40-min tweede anodisatie een hoog-porös, hydrofoob oppervlak oplevert dat de ZnO-lading maximaliseert. Deze configuratie produceerde een super-hydrofoob oppervlak (CA > 150°) en de laagste biofilm-adhesie, wat de meest effectieve antibiofilm-prestaties onder de geteste monsters demonstreert.

Achtergrond

Biofilm-vorming op industriële oppervlakken leidt tot corrosie, voedselbederf, en significante economische verlies. Oppervlakte-eigenschappen zoals ruwheid, microstructuur, hydrofiliciteit, en antimicrobiële additieven dicteren bacteriële adhesie en biofilm-rijping. Porös anodisch alumina (PAA) biedt instelbare nanoporositeit, wat het aantrekkelijk maakt voor biomedische en voedselverwerkings-toepassingen. Zinkoxide (ZnO) is een welbekend antibacterieel middel; de activiteit wordt beïnvloed door kristalstructuur, deeltjesgrootte, en oppervlaktechemie. Het vergroten van de hydrofobiciteit van ZnO-films is essentieel, aangezien hydrofiele oppervlakken bacteriële heching bevorderen. Shewanella putrefaciens, een psychrotrofe bederf-organisme, fungeert als relevant model voor het bestuderen van antibiofilm-strategieën in koude-keten voedselconservering.

Materialen en methoden

Materialen

Alle reagentia waren analytische graag; gedemineraliseerd water had geleidbaarheid <0,5 mS/cm. Shewanella putrefaciens ATCC 8071 en 99,99% Al-folies (0,3 mm) werden bezorgd door Shengshida Metal Materials Co., Ltd.

Voorbereiding van ZnO/PAA composietfilms

Porös anodisch alumina (PAA) films

Al-folies (10 × 30 mm²) werden gepolijst, ontvet, en gewassen. Eerste anodisatie: 30 °C, 40 V, 90 min in 0,3 mol/L oxaalzuur. Barrierelaag verwijdering: 6 wt% H₃PO₄ + 1,8 wt% H₂CrO₄ bij 60 °C gedurende 4 uur. Tweede anodisatie: identieke condities voor 0, 40, 60, of 80 min om varierende poriëngeometrieën te produceren.

Zinkoxide depositie

Gelijke volumes van 0,02 mol/L zinkacetaat en 0,04 mol/L NaOH in ethanol werden gemengd bij 70 °C gedurende 5 min. PAA-films werden onder −0,085 MPa vacuüm gedoopt, verhit tot koken om een blauwe sol te vormen, daarna gespoeld. Monsters werden gedroogd (−0,085 MPa, 80 °C, 6 uur) en gekalcineerd bij 480 °C gedurende 2 uur. Ten slotte werden films gemodificeerd met 1,0 wt% Si69 in ethanol bij 65 °C gedurende 2 uur en vacuüm-gedroogd (−0,085 MPa, 40 °C, 12 uur).

Karakterisering

XRD (Rigaku Ultima IV, 40 kV, 50 mA) monitoreerde kristalfasen. TG/DTA (Perkin Elmer Diamond) volgde thermische overgangen. FT-IR (Agilent Scimitar 2000) identificeerde oppervlakte-functionele groepen. SEM (Hitachi S-4800) en TEM (JEOL Jem-2100F) onderzochten morfologie; SAED bevestigde kristalstructuur. CA werd gemeten met de zittende-druppel methode (3,0 µL gedemineraliseerd water). Biofilm-assays omvatten kristal-violet kleuring, plaat-tellingen, SEM, en CLSM-beeldvorming.

Antibiofilm-evaluatie

Bacteriële suspensies (OD₅₉₅ ≈ 0,5) werden 1:200 verwijd met 3% APW en geïnculeerd met 0,5 × 0,5 cm filmstukken bij 28 °C. Biofilm-adhesie gekwantificeerd door kristal-violet extractie (OD₅₉₅). Kolonietellingen verkregen via seriële verdunning en plaat-tellingen. SEM visualiseerde biofilm-architectuur, terwijl CLSM levende (groen) en dode (rode) cellen differentieerde met acridine-oranje/propidium-iodide kleuring.

Resultaten en discussie

ZnO-film karakterisering

XRD

Kalcinatie induceerde een overgang van amorfe intermediairen naar kristallijne hexagonale wurtziet ZnO. Pieken bij 31,70°, 34,52°, 36,31°, 47,68°, 56,82°, 62,92°, en 67,92° correspondeerden met (100), (002), (101), (102), (110), (103), en (112) vlakken (PDF # 36-1451). Piekverscherping met hogere kalcinatietemperaturen wees op toenemende kristallijnheid en korrelgroei.

Thermische analyse

TG/DTA toonde een 68,6% massa-verlies tot 100 °C (verdamping van ethanol en water) en een gering 3,8% verlies tussen 100–400 °C (verwijdering van residuele hydroxiden). Geen verder verlies boven 400 °C bevestigde thermische stabiliteit van de wurtziet-fase.

FT-IR

Ongewijzigde ZnO toonde brede O-H-rekking (3600–3300 cm⁻¹) en water-gerelateerde pieken. Na Si69-modificatie introduceerde Si-O-trillingen (~895 cm⁻¹) en verminderde hydroxyl-signalen, wat succesvolle grafting en verhoogde hydrofobiciteit bevestigde.

Microstructuur

SEM onthulde dat PAA-poriën-grootte uitstrekte met tweede anodisatietijd: 5–10 nm (0 min), 20–40 nm (40 min), 60–70 nm (80 min). ZnO-nanodeeltjes (10–30 nm) nucleerden preferent op kleinere poriën, vormende dichte lagen op 40-min PAA. TEM en SAED bevestigden de hexagonale wurtziet-structuur van ZnO-deeltjes.

Hydrofobiciteit

Ongewijzigde ZnO-films waren hydrofiel (CA < 90°). Na Si69-behandeling nam CA dramatisch toe; het 40-min PAA-monster bereikte super-hydrofobiciteit (CA > 150°), toeschrijfbaar aan hoge ZnO-lading en ruwheid.

Antibiofilm-prestaties

Biofilm-adhesie volgde het klassieke vijf-stadia-model: snelle heching (0–2 uur), groei (2–12 uur), rijping (12–24 uur), en degeneratie (>24 uur). Het 40-min ZnO/PAA-composiet vertoonde de laagste adhesie en bacteriële tellingen over alle tijdstippen. In contrast, het 80-min-monster, ondanks hogere hydrofiliciteit, toonde de hoogste biofilm-accumulatie door lagere ZnO-dichtheid.

SEM-afbeeldingen bevestigden dat het 40-min-monster minimale extracellulaire polymere stoffen (EPS) en minder bacteriële koloniën presenteerde, terwijl het 80-min-monster dichte EPS en volwassen biofilms vertoonde. CLSM bevestigde deze bevindingen, met het 40-min-oppervlak een hoger aandeel dode cellen (rood) en minder levende cellen (groen) op 24–36 uur.

Conclusies

Door de tweede anodisatietijd af te stemmen op 40 min, biedt PAA een optimale poriënarchitectuur die de ZnO-nanodeeltjesdepositie maximaliseert en, na Si69-modificatie, een super-hydrofoob oppervlak oplevert. Deze configuratie remt effectief initiële bacteriële heching en onderbreekt biofilm-rijping, wat het ZnO/PAA-composiet vestigt als veelbelovend antibiofilm-materiaal voor voedselverwerking en biomedische toepassingen.

Afkortingen

AO:

Acridine oranje

CA:

Watercontacthoek

EPS:

Exopolysacchariden

FT-IR:

Fourier-transformatie infrarood-spectrometer

PAA:

Porös anodisch alumina

PBS:

Fosfaat-gebufferde zoutoplossing

PI:

Propidium-iodide

SAED:

Geselecteerd gebied elektrondiffractie

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

TG/DTA:

Thermogravimetrische/differentiele thermische analyse

XRD:

Röntgendiffractie