Разработка целлюлозных материалов с антибактериальными свойствами с применением наночастиц оксида цинка

Неорганические наночастицы, в настоящее время структуры которых обладают значительно новыми и улучшенными физическими, химическими и биологическими свойствами из-за их наноразмера, вызвали большой интерес. В последнее время внимание исследователей привлекают нанокомпозиты на основе наночастиц оксида цинка, которые обладают полезными оптическими, механическими, полупроводниковыми, ферроэлектрическими, пьезоэлектрическими и антибактериальными свойствами [1-4]. Главным преимуществом наночастиц оксида цинка, в отличие от наночастиц серебра, является их небольшая цена и быстрая деградация в условиях окружающей среды, что снижает нагрузку на экосистему. Наноматериалы, содержащие наночастицы оксида цинка, проявляют биоцидную активность широкого спектра действия по отношению к различным бактериям, грибкам и вирусам и имеют явное преимущество перед обычными химическими противомикробными агентами [5-8]. Целлюлоза – самый распространенный, биоразлагаемый, нетоксичный биополимер, является очень важным возобновляемым ресурсом для разработки экологически чистых, биосовмес-тимых и функциональных материалов, широко используется в различных областях жизнедеятельности человека. Применение наночастиц оксида цинка для модификации текстильных материалов постоянно расширяется за счет их высоких бактерицидных свойств [9-11]. Поиск путей модификации существующих материалов из целлюлозы с целью придания им новых потребительских свойств является актуальной проблемой.

Целью работы является получение наночастиц оксида цинка заданных размеров и формы, модификация целлюлозных материалов с целью придания им антибактериальных свойств.

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования использовалась отбеленная, не аппретированная, хлопчатобумажная ткань арт. – 1030.

Структурная характеристика хлопчатобумажной ткани: ширина ткани 220 см, поверхностная плотность 125 г/м2, переплетение – полотняное, состав 100% хлопок.

Хлорид цинка, белые гигроскопичные кристаллы. Химическая формула ZnCl 2 . Молекулярная масса (в а.е.м.): 136,29. Температура плавления: 318°С. Температура кипения: 732°С. Растворимость в воде при 20°C: 79,8%. Плотность: 2,91 кг/м3 (25°С).

Поливиниловый спирт – твердый полимер белого цвета, без вкуса и запаха; нетоксичен, содержит микрокристаллические образования, растворяется в воде, диметилформа-миде, многоатомных спиртах; устойчив к действию масел, жиров, алифатических и ароматических углеводородов. Плотность-1,19 -1,31 г/см, температура плавления -220-230 °C, температура разложения-230 °C

Гидроксид натрия. Бесцветные ромбические кристаллы, химическая формула NaOH, молекулярная масса: 39,99, температура плавления: 323°С, температура кипения: 1403°С, плотность: 2,13 кг/м3. Растворимость в воде: 108,7 г на 100 г H 2 O (20°С)

В качестве исходных прекурсоров использованы хлорид цинка ZnCl 2 , осадителя -NaOH. Процесс осаждения наночастиц ZnO проводили в диапазоне температур от 20 до 60°С в термостате, при изменении концентрации: ZnCl 2 (0,05 -0,4 М) и осадителя NaOH (18М), значение pH раствора 12-13, продолжительность синтеза два часа. Образовавшийся осадок был отделен центрифугированием и промыт дистиллированной водой, а затем был высушен при комнатной температуре.

Для определения размера и формы образцов нанопорошков ZnO был использован сканирующий электронный микроскоп JEOL JSM-6510LV.

Результаты и обсуждения

Строение и размер наночастиц в большой степени зависит от условий реакции и концентрации ацетата цинка. Для определения оптимальных концентраций исходных компонентов проведены серии опытов (табл.1).

Таблица 1 - Концентрации исходных компонентов

Номер образца	Концентрация,г/М
	ZnCl 2	NaOH
1	5.44 (0,4М)	16 (4М)
2	8.16 (0,6М)	16 (4М)
3	10.88 (0,8М)	16 (4М)
4	13.6 (1М)	16 (4М)

Исследования показали, что образуются наночастицы, имеющие форму, близкую к сферической, и стержнеобразной формы (рис 1), стабильны, не осаждаются и не меняют ок- раску в течение нескольких дней. Увеличение концентрации исходных реагентов приводит к образованию частиц, как стержнеобразной формы, так и иглообразной, и произвольной форм.

а – 50 µм

б – 20 µм

в – 4 µм

Рисунок 1. Фотографии наночастиц оксида цинка, полученные с помощью СЭМ различного разрешения

Образцы хлопчатобумажной ткани (4 шт.) размером 100×100 мм подвергались пропитке свежеприготовленным раствором выбранной концентрации в течение 30 минут, высушивали при комнатной температуре.

После ткань отжимают до привеса 90%, сушат при температуре 80˚С в течение 6 мин и термообрaбaтывaют при температуре 100˚С в течение 2 мин с последующей промывкой теплой водой. Исследования, проведённые методом электронно-сканирующей микроскопии, подтвердили наличие наноразмерных частиц в структуре материала по сравнению с необработанным материалом (рис. 2а). С возрастанием концентрации наночастиц оксида цинка на поверхности обработанной ткани количество адсорбированных наночастиц возрастает. Распределение частиц на поверхности не являлось равномерным.

а                      б                   в                         г

Рисунок 2. Фотографии поверхности необработанного текстильного материала: а-обработанного наночастицами оксида цинка различного разрешения: б-500нм; в-200нм; г-100нм.

Антимикробное действие оценивали по стандарту СТ РК ISO 20743-2012 и по степени угнетения роста бактерий через разное время инкубации по сравнению с контрольными образцами. Условия проведения испытания: температура - 19°С, влаж- ность-70%. Антибактериальную активность определили методом расчета колонии. Грам-отрицательные Escherichia coli (E.coli) в основном выбираются в качестве модельных бактерий для оценки антибактериальной активности наночастиц ZnO. Антимикробное действие оценивали по степени угнетения роста бактерий через разное время инкубации по сравнению с контрольными образцами.

Результаты исследований (рис.3) показали, что в контрольных образцах наблюдается высокий рост микроорганизмов. В обработанных растворами наночастиц оксида цинка (рис. 3б,в,г,д) с концентрацией 0,4- 1.0М рост микроорганизмов уменьшается. С возрастанием концентрации наночастиц оксида цинка антибактериальные свойства текстильных материалов возрастают.

Рис. 3. Рост грибов Escherichia coli (E.coli) на образцах ткани: контрольный образец (а) и обработанный разными концентрациями наночастиц оксида цинка: б- 0,4М ; в-0,6М; г-0,8М; д-1М

Заключение

Разработан синтез наночастиц оксида цинка в присутствии стабилизатора поливинилового спирта. Подобраны оптимальные условия обработки целлюлозных материалов наночастицами оксида цинка. Установлено, что обработка предложенными составами придает антимикробные свойства текстильным материалам, улучшает показатели физико-механических характеристик.

Результаты исследований показали, что в контрольных образцах наблюдается высокий рост микроорганизмов, а в обработанных образцах растворами наночастиц оксида цинка рост микроорганизмов значительно снижается.