Étude comparative de l'effet antimicrobien de nanocomposites et composites à base de poly(butylène adipate-co-téréphtalate) utilisant des nanoparticules de Cu et Cu/Cu2O et CuSO4

Introduction

La plupart des matières plastiques sont produites à partir de combustibles fossiles et sont pratiquement non dégradables, ce qui suscite des inquiétudes quant à la durabilité économique et environnementale [1, 2]. Ainsi, le développement et la synthèse de matériaux biodégradables à partir d'une autre source a reçu beaucoup d'attention de la communauté scientifique dans le but de réduire la production de plastiques à base de pétrole [3,4,5]. Les polymères biodégradables ont commencé à jouer un rôle fondamental dans la résolution de ces problèmes en tant qu'option prometteuse aux combustibles fossiles, ainsi qu'à une nouvelle classe de matériaux appelés bionanocomposites, qui, grâce à la nanotechnologie, ont acquis de meilleures propriétés [6,7,8,9 ,10].

Les bionanocomposites sont constitués d'une matrice organique dans laquelle sont dispersés des nanomatériaux inorganiques [8, 11,12,13]. Les différentes morphologies et tailles des composants inorganiques, tels que les nanoparticules, les nanotubes, les nanofeuillets, les nanofils et la nanoargile, ont un effet considérable sur les propriétés de la matrice polymère. Les propriétés optiques, thermiques, mécaniques, magnétiques et optoélectroniques sont améliorées en raison de la synergie entre la surface spécifique, une réactivité de surface élevée, une excellente stabilité thermique et une résistance mécanique élevée des composants inorganiques et de la matrice polymère [14,15,16] . Un large éventail d'innovations dans la chimie des polymères et les techniques de micro- et nanofabrication ont conduit la recherche dans les bionanocomposites polymères, non seulement pour la production de structures améliorées, mais aussi pour la préparation de nouveaux matériaux fonctionnels avec des propriétés intéressantes et des applications très sophistiquées [17,18 ,19]. Plusieurs biopolymères d'origine naturelle ou synthétique, tels que l'acide polylactique (PLA) [20] et le poly(butylène-adipate-co-téréphtalate) (PBAT), ont été largement étudiés [21, 22].

Un polymère actuellement utilisé comme matrice dans les nanocomposites est le PBAT [23]. Ce biopolymère synthétique est un polyester biodégradable aliphatique linéaire basé sur les monomères 1,4-butanediol, acide adipique et acide téréphtalique dans la chaîne polymère [24]. Ses propriétés sont similaires à celles du polyéthylène basse densité en raison de son poids moléculaire élevé et de sa structure moléculaire ramifiée à longue chaîne, ce qui le rend flexible [24,25,26]. La principale limitation du PBAT est sa faible résistance mécanique; cependant, avec l'ajout de charges nanométriques, cet inconvénient peut être surmonté, conférant ainsi à ce matériau des propriétés multifonctionnelles telles que de meilleures propriétés thermomécaniques [6, 27].

Actuellement, il existe également un besoin urgent de développer des bionanocomposites capables de contrôler ou d'empêcher la colonisation microbienne en incorporant des nanoparticules ayant une activité antibactérienne connue dans ou en améliorant les propriétés antibactériennes déjà détenues par la matrice polymère. Dans ce dernier cas, l'amélioration substantielle de la capacité biocide de la matrice polymère a été associée à la synergie entre les deux composants du bionanocomposite [28, 29]. Par conséquent, le polymère fournit non seulement une matrice de support pour les nanoparticules, mais peut également améliorer les performances antibactériennes et étendre les applications possibles du bionanocomposite pour répondre à diverses exigences pour les applications biomédicales ou les dispositifs médicaux tels que les sondes endotrachéales et les cathéters vasculaires et urinaires [30 ,31,32]. Cependant, l'utilisation du PBAT dans les dispositifs médicaux n'a pas été étudiée de manière approfondie; seuls quelques articles ont rapporté la possibilité de son utilisation dans certaines applications cliniques [1].

Plusieurs études ont rapporté l'utilisation de nanoparticules métalliques comme agent antimicrobien. La propriété biologique intrinsèque de ces matériaux dépend de plusieurs facteurs tels que le métal impliqué, la taille des particules, la structure et la surface. Toutes les combinaisons possibles de ces facteurs peuvent retarder la résistance antibactérienne [33]. La plupart des études antimicrobiennes des nanocomposites se sont concentrées sur les emballages alimentaires, et l'activité biocide a toujours ciblé les mêmes bactéries. Il n'est pas certain que les bactéries deviennent résistantes aux nanoparticules biocides de la même manière qu'elles le font aux médicaments. Ainsi, l'un des objectifs de ce travail était d'évaluer l'activité antimicrobienne de nanocomposites contenant du PBAT avec différentes concentrations de Cu-NPs pour une utilisation potentielle dans la fabrication d'instruments dentaires. De plus, nous avons réalisé une étude comparative complète sur les propriétés thermomécaniques et antimicrobiennes des matériaux à base de PBAT. Les nanocomposites PBAT ont été préparés avec des nanoparticules de Cu à trois concentrations différentes. De même, des nanocomposites ont été préparés en utilisant Cu|Cu₂ O-NPs comme charge. Enfin, un CuSO₄ à base de matériau composite a été préparé aux mêmes concentrations que celles utilisées pour préparer les nanocomposites. L'activité biocide des nanocomposites et du composite PBAT a été évaluée contre Staphylococcus aureus , qui est responsable d'infections cutanées telles que folliculites, furonculoses et conjonctivites; Streptococcus mutans , qui est en partie responsable de la plaque dentaire et du biofilm dentaire ; et Enterococcus faecalis et Acinetobacter baumannii , qui peuvent provoquer des infections qui compromettent l'homme, notamment en milieu hospitalier.

Matériaux et méthodes

Matériaux

Le PBAT (Ecoflex) utilisé pour la préparation des nanocomposites a été fourni par BASF (Ludwigshafen, Allemagne). Sa structure moléculaire est montrée dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S1 (matériel supplémentaire). Les nanoparticules de cuivre pur à 99,99 % (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) avaient un diamètre compris entre 100 et 200  nm. Pour la synthèse du Cu|Cu₂ O-NPs, CuSO₄ a été utilisé comme précurseur, l'acide ascorbique (C₆ H₈ O₆ ) comme agent réducteur et l'hydroxyde de sodium (NaOH) comme régulateur de pH. De plus, CuSO₄ (Sigma-Aldrich) a été utilisé pour préparer le matériau composite.

Synthèse de nanoparticules par réduction chimique

Une méthode de synthèse proposée par Khan et al. [34] a été utilisé pour obtenir Cu|Cu₂ O-NPs. La synthèse a commencé en dissolvant CuSO₄ × 5H₂ O dans de l'eau distillée pour obtenir 120 mL de solution 0,1 M. Ensuite, les 120 mL de CuSO₄ a été ajouté à un ballon immergé dans un bain de propylène glycol, suivi d'un ajout rapide de 50 mL de C₆ H₈ O₆ Solution. Le mélange a été vigoureusement agité à approximativement 390 rpm pendant 30 min tandis que la température a été augmentée à 80 °C, après quoi 30 mL de solution de NaOH ont été ajoutés goutte à goutte et la solution a été agitée en continu pendant 2 h. La solution finale a été laissée à décanter pendant une nuit, puis le liquide surnageant a été éliminé. Le concentré a été centrifugé et lavé avec de l'eau distillée et de l'éthanol. Enfin, les particules ont été dispersées à l'aide d'un équipement à ultrasons, placées dans des boîtes de Pétri et séchées au four à 60 °C pendant la nuit (voir Fichier supplémentaire 1 :Figure S2).

Synthèse nanocomposite

Pour préparer les nanocomposites et le matériau composite, Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs et CuSO₄ sel ont été incorporés dans la matrice PBAT à des concentrations de 1, 3 et 5 %. Tout d'abord, le PBAT a été fondu, puis les NP ont été ajoutées et mélangées dans un rhéomètre dynamométrique (modèle 835205, Brabender GmbH &Co. KG, Duisburg, Allemagne) pendant 7 min à 60 rpm et une température de travail de 140 °C ( Fichier supplémentaire 1 :Figure S4). La charge maximale était de 5 %, car des charges plus élevées produisaient des effets de fluorescence dans les spectres Raman (Fichier supplémentaire 1 :Figure S3).

Caractérisation

Les nanocomposites et matériaux composites obtenus ont été caractérisés pour étudier leurs différences par rapport au polymère PBAT. De même, nous avons étudié comment les différentes concentrations de Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs et CuSO₄ à l'intérieur du polymère a affecté ses propriétés mécaniques, thermiques, morphologiques, structurelles et bactéricides.

Cu-NPs et Cu|Cu₂ Les O-NPs ont été caractérisées par diffraction des rayons X (XRD) et microscopie électronique à transmission (MET). Nanocomposites PBAT avec Cu-NPs (NCs-PBAT/Cu) et Cu|Cu₂ O-NPs (NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O) et le matériau composite PBAT avec CuSO₄ (MCs-PBAT/CuSO₄ ) ont été caractérisés par analyse thermogravimétrique (TGA), calorimétrie différentielle à balayage (DSC), microscopie électronique à balayage (MEB), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), XRD, tests de traction et dosage de l'activité antimicrobienne par diffusion sur gélose. Un échantillon en forme de plaque de 100 mm x 100 mm x 1 mm de chaque nanocomposite a été préparé de sorte que les échantillons homogénéisés dans chaque analyse aient la même taille. Pour obtenir la forme de la plaque, NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, et MCs-PBAT/CuSO₄ ont été moulés à l'aide d'une presse hydraulique Labtech (modèle LP-20B; Labtech Engineering Co., Ltd., Samutprakarn, Thaïlande) à 160 °C et 110 bars pendant 5 min. Les temps de préchauffage et de refroidissement étaient respectivement de 15 min et 1 min (Fichier supplémentaire 1 :Figure S4).

Propriétés morphologiques et structurelles

Vérifier l'échelle nanométrique des nanoparticules et que les poudres synthétisées étaient un mélange de Cu et Cu₂ O nanoparticules, une analyse structurelle a été réalisée à l'aide de XRD et une analyse morphologique a été réalisée à l'aide de MET.

Micrographies MET de Cu|Cu₂ Les O-NP ont été obtenues avec un microscope électronique à transmission JEM 1200 EX II (JEOL, Ltd., Tokyo, Japon) à une tension de 120 kV. Un échantillon a été préparé en plaçant une goutte de nanoparticules diluées dans de l'éthanol sur une grille de cuivre recouverte de carbone de 200 mesh. De plus, les nanoparticules ont été analysées via un diagramme de diffraction électronique.

Spectres XRD des Cu-NPs, Cu|Cu₂ Les O-NP, les nanocomposites et les matériaux composites ont été obtenus à l'aide d'un diffractomètre Bruker Endeavour (modèle D4/MAX-B; Bruker, Billerica, MA, USA). Le balayage de 2θ était de 4 à 80° avec un pas de 0,02° et un temps de comptage de 1 s. Le diffractomètre fonctionnait à 20 mA et 40 kV avec une lampe à cathode de cuivre (λ = 1,541 Å).

Les spectres FTIR des nanocomposites ont été obtenus à l'aide d'un spectromètre FTIR Spectrum Two (× 1720) (PerkinElmer, Waltham, MA, USA) avec la fonction de réflexion totale atténuée (ATR). Chaque spectre a été obtenu par des balayages consécutifs dans la plage de 4000 à 500 cm ⁻¹ avec une résolution de 1 cm ⁻¹ .

Propriétés mécaniques (Test de traction)

Des tests de traction, basés sur la norme ASTM D638, ont été effectués sur une machine d'essai universelle smarTens (modèle 005 ; Emmeram Karg Industrietechnik, Krailling, Allemagne) à une vitesse d'essai de 50  mm/min et une cellule de charge de 1 kN. Les spécimens de type V ont été fabriqués par compression à des températures de moulage de 160°C. Les temps de préchauffage, de pressage et de refroidissement étaient respectivement de 7, 5 et 1 min. Cinq échantillons de chaque NC et MC à l'étude ont été fabriqués et la résistance à la traction, le pourcentage d'allongement à la rupture et le module ont été obtenus.

Propriétés thermiques

L'ATG a été réalisée à l'aide d'une thermo-microbalance TG 209 FI Iris® (NETZSCH-Gerätebau GmbH, Selb, Allemagne). Les échantillons, allant de 3 à 10 mg, ont été placés dans des creusets en aluminium, qui ont ensuite été chargés dans l'instrument. Le changement de masse en fonction de la température a été mesuré en chauffant les échantillons de 20 à 600 °C à une vitesse de 10 °C/min sous un N₂ ambiance.

L'analyse DSC a été réalisée en utilisant un calorimètre à balayage différentiel NETZSCH (modèle DSC 204 F1). Des échantillons de nanocomposites (5-10 mg) ont été placés dans des creusets scellés en aluminium, qui ont été chauffés de 25 à 200 °C à une vitesse de 10 °C/min sous un N₂ constant débit de 20 mL/min. La température de fusion (T _m ) a été obtenu à partir de cette analyse DSC.

Dosages d'activité antimicrobienne des NC et MC par diffusion sur gélose

L'activité antibactérienne des nanocomposites et du matériau composite à base de Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs et CuSO₄ a été déterminée en utilisant la méthode de la cinétique de croissance par diffusion en gélose. L'analyse a été réalisée en deux étapes suivant le protocole de Jaramillo et al. [35]. Quatre souches de bactéries ont été utilisées :deux souches cliniques, A. baumannii (ABA 538) isolé d'une infection intra-hospitalière et E. fécales (6.4) d'une infection buccale, et deux souches de collection, S. aureus (ATCC) et S. mutants (ATCC 25175).

La première étape consistait en une évaluation qualitative de l'activité antibactérienne pour sélectionner laquelle des trois concentrations de nanocomposites et de matériau composite utiliser pour effectuer les tests quantitatifs afin de réduire la conception expérimentale car l'utilisation de trois concentrations de charge serait très coûteuse. Après les tests d'évaluation, l'échantillon avec le pourcentage de charge qui a montré la meilleure inhibition de contact a été sélectionné. Pour effectuer les tests qualitatifs, A. baumannii (ABA 538), E. fécales (6.4), S. aureus (ATCC), et S. mutants (ATCC 25175) ont été ensemencées séparément sur une gélose trypticase soja (TSA) et incubées pendant une nuit à 37°C. Après la culture, une colonie bien isolée a été sélectionnée et transférée dans un tube contenant 4 à 5  mL de bouillon TSA à l'aide d'une anse d'ensemencement. Le bouillon a été de nouveau incubé pendant une nuit à 37°C jusqu'à ce qu'il atteigne ou dépasse la turbidité de 0,5 sur l'échelle de McFarland. La turbidité de l'inoculum a ensuite été ajustée avec une solution saline jusqu'à 0,5 sur l'échelle de McFarland à l'aide d'un turbidimètre. La suspension préparée contenait environ 1 × 10 ⁸ UFC/mL, qui a été dilué à 1:10 pour obtenir une concentration d'inoculum finale de 10 ⁷ UFC/mL. Les plaques TSA ont été ensemencées uniformément avec chaque inoculum. Ensuite, des feuilles (10 × 10 mm ² ) des nanocomposites et du matériau composite à des concentrations de 1, 3 et 5%, plus un contrôle PBAT, ont été placés à la surface des plaques TSA et vérifiés pour s'assurer qu'ils adhèrent bien. Enfin, les plaques ont été placées dans une étuve et incubées à 37 °C pendant 24 h pour observer l'inhibition des échantillons PBAT.

La deuxième étape de la méthode de cinétique de croissance consistait en des tests quantitatifs effectués uniquement sur les nanocomposites et le matériau composite où l'inhibition de contact était évidente dans le test qualitatif. Pour maintenir la stérilité, les tests ont été effectués en utilisant une armoire de sécurité biologique de type A2 de la série 1200 (ThermoFisher Scientific, Waltham, MA, USA). Tout d'abord, les échantillons ont été préconditionnés en les plaçant dans des boîtes de Pétri stériles et en les amenant dans l'enceinte de sécurité biologique où ils ont été exposés à la lumière UV pendant 15 min de chaque côté. Ensuite, des cultures bactériennes de 24 heures de chaque souche ont été ajustées à une turbidité de 0,5 sur l'échelle de McFarland pour créer ensuite six dilutions en série (1, 2, 3, 4, 5 et 6). Un comptage initial a été effectué sur les dilutions 4, 5 et 6 (en triple) pour déterminer le comptage au temps zéro.

Des chambres humides, une pour chaque temps d'évaluation (2, 4, 6 et 8 h) et pour chaque souche, ont été préparées en plaçant de la gaze stérile humidifiée avec de l'eau distillée stérile dans des boîtes de Pétri stériles. Ensuite, une lame stérile a été placée à l'intérieur de chaque chambre humide de telle sorte que la face supérieure ne touche pas la gaze humide. Ensuite, trois 1 × 1-cm ² des feuilles de nanocomposites et de matériau composite, et des feuilles de PBAT comme témoins, ont été placées dans les chambres à l'aide d'une pince stérile. Une dilution (20  μL) a été déposée sur chaque feuille carrée et les chambres ont été incubées à 37 °C pendant 2, 4, 6 et 8 h.

Après incubation, les chambres humides ont été extraites, et chaque feuille de polymère a été déposée à l'intérieur d'un tube Falcon avec 1 mL d'eau distillée stérile. Les tubes ont été vortexés pendant 2 à 5 min [35]. Trois dilutions ont été réalisées à partir du produit dans les tubes Falcon. Les boîtes de Pétri contenant du TSA ont été divisées en quatre parties. Environ trois à cinq gouttes (correspondant à 20 μL) de chacune des trois dilutions et une goutte du contenu du tube Falcon non dilué ont été placées dans les quadrants. Les plaques de gélose devaient être complètement sèches pour que les gouttes soient absorbées presque instantanément. Les plaques ont ensuite été incubées à 37 °C pendant 24 h, suivies d'un comptage des colonies avec un compteur de colonies. Les données obtenues ont été multipliées par le facteur de dilution utilisé et tracées dans des graphiques en utilisant la fonction logarithme ou le pourcentage de survie.

Résultats et discussion

La rhéométrie permet d'obtenir des mesures dynamiques des propriétés rhéologiques des nanocomposites dans des conditions proches des conditions réelles dans lesquelles les nanocomposites ont été traités. Pour cela, des mesures ont été effectuées pour contrôler les changements de viscosité pendant le mélange à l'état fondu. Les résultats de ces mesures sont présentés dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S5. L'augmentation du couple moteur est liée à la viscosité de fusion du polymère [21, 36], et les valeurs commencent à être constantes après 4 min de malaxage. Ceci confirme que le temps de mélange de 7 min établi dans ce travail était suffisant pour obtenir un mélange complet.

Les valeurs de couple pour la matrice PBAT et NCs-PBAT/Cu 1% étaient d'environ 19,86 N m. Les courbes (Fichier supplémentaire 1 :Figure S5) indiquent que la concentration de 1% de Cu-NPs a eu peu d'effet sur les propriétés mécaniques de la matrice, mais des valeurs de couple d'équilibre inférieures de 18,4 et 17,4 N m ont été obtenues pour NCs-PBAT/Cu 3 % et NCs-PBAT/Cu 5%, respectivement. Ces résultats impliquent clairement que la processabilité des NCs-PBAT/Cu a été améliorée par rapport à la matrice PBAT [37]. Des résultats similaires ont été obtenus avec le mélange NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, où la valeur de couple d'équilibre a diminué avec l'augmentation du pourcentage de charge à 3 %, mais la charge de 5 % a donné une valeur très proche de celle de la charge de 1 % de Cu|Cu₂ O-NPs. Les valeurs de couple d'équilibre étaient de 19,39, 19,07 et 19,37 Nm pour 1, 3 et 5 %, respectivement. Pour les MCs-PBAT/CuSO₄ mélange, les valeurs de couple d'équilibre ont augmenté à mesure que la charge de CuSO₄ augmenté, c'est-à-dire 18,71 N m pour 1 %, 19,16 N m pour 3 % et 19,79 N m pour 5 % de charge. Ce comportement peut être attribué à la taille du CuSO₄ cristaux. Simultanément, fichier supplémentaire 1 : Figure S5 montre que le couple d'équilibre de tous les nanocomposites et du matériau composite était stable avec l'augmentation du temps de mélange, indiquant que la décomposition thermique ne s'est pas produite dans le mélangeur, probablement parce que les nanoparticules diminuent les forces de cohésion entre les chaînes polymères et effectuer très probablement une autolubrification lors du processus de mélange [37].

Propriétés morphologiques et structurelles

Dans un premier temps, les nanoparticules obtenues par réduction chimique ont été analysées. Les résultats de la synthèse de Cu|Cu₂ Les O-NP sont illustrés à la Fig. 1b. La micrographie MET montre un mélange de particules sphériques et de particules polyédriques. Le diamètre moyen des nanoparticules sphériques était de 26 nm (Fig. 1c), tandis que le diamètre des nanoparticules polyédriques variait entre 80 et 160 nm. La composition de ces nanoparticules a été déterminée par diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED) (Fig. 1c), qui a trouvé des phases correspondant au métal Cu et Cu₂ O. Ce résultat a été corroboré par le diffractogramme illustré à la Fig. 1a. Six pics de diffraction ont été clairement observés à 2θ = 36,3°, 42,17°, 43,42°, 50,63°, 61,47° et 74,37°. Parce que les nanoparticules ont été synthétisées en réduisant chimiquement CuSO₄ à CuO, les pics de diffraction ont été vérifiés par les données pour Cu dans la base de données X'Pert HighScore des diagrammes de diffraction des rayons X sur poudre. Nous avons observé que les pics à 2θ = 43,2°, 50,63° et 74,37° appartiennent aux plans de diffraction du Cu métallique (111), (200) et (220). Les trois autres pics montrent que les nanoparticules synthétisées contenaient plus d'une substance, de sorte que le diagramme de diffraction est une combinaison des deux. Wijesundera [38] a analysé des couches minces de Cu₂ O utilisant XRD et a montré que les plans diffractés à 2θ = 36,3°, 42,17° et 61,47° correspondent aux indices de Miller (111), (200) et (220). Ces indices appartiennent à une structure cubique à faces centrées (FCC) qui correspond à une partie de la zone centrale d'une structure antifluorite, qui est en accord avec la structure de Cu₂ O, conformément aux conclusions de l'analyse SAED.

un XRD de nanoparticules Cu et CuO2 synthétisées. b , c Image MET, distribution de taille et modèle de diffraction des nanoparticules synthétisées. d XRD de nanoparticules de Cu. e , f Image MET, distribution de taille et diagramme de diffraction de nanoparticules de Cu

Wang et al. [39] ont trouvé que lors de la synthèse des Cu-NPs par réduction chimique, la taille des particules variait entre 100 et 150 nm. Ils ont utilisé C₆ H₈ O₆ comme agent réducteur et poly(vinylpyrrolidone) (PVP) comme tensioactif. Les visages ne correspondaient pas à ceux de Cu₂ O car le PVP a permis de stabiliser les graines en croissance, évitant ainsi leur oxydation. Cependant, l'objectif de notre enquête était de synthétiser Cu₂ O NPs, qui peuvent être obtenus par réduction chimique sans l'utilisation d'un agent stabilisant tel que le PVP.

Les Cu-NPs utilisées dans la préparation du nanocomposite étaient sphériques avec un diamètre compris entre 100 et 200 nm (Fig. 1e, f). Dans le diagramme XRD pour les Cu-NP illustré à la figure 1d, les trois pics clairement observés à 43,60°, 50,72° et 73,95° correspondent aux plans cristallins (111), (200) et (220), respectivement. La structure cristalline cubique avec un groupe spatial Fm3m (JCPDS No.85-1326) [55] est conforme à la structure trouvée par l'analyse SAED (Fig. 1d).

Les particules métalliques utilisées dans notre étude ont été obtenues au moyen d'un système de broyage mécanique, selon le fournisseur. L'inconvénient de cette méthode est qu'un faible pourcentage de particules (~ 10%) est supérieur à 500 nm. Cependant, cela n'a pas affecté négativement les objectifs de notre enquête. Ci-dessous, nous montrons comment cette dispersion a affecté les propriétés thermomécaniques de la matrice PBAT. Il est important de noter que les méthodes de broyage mécanique n'utilisent pas de précurseurs ou de stabilisants, comme c'est le cas avec les méthodes de synthèse par voie humide, connues sous le nom de méthodes de réduction chimique. Par conséquent, la surface des Cu-NPs obtenues par broyage n'est pas passivée par l'adsorption de molécules provenant soit d'un stabilisant, soit d'un sous-produit de réaction. Ainsi, ces Cu-NPs, tout en n'améliorant pas substantiellement les propriétés mécaniques du polymère, ne les dégradent pas non plus. Cependant, les propriétés antimicrobiennes doivent être améliorées car la migration de Cu ²⁺ est facilité sur les surfaces non passivées.

La figure 2 présente les spectres XRD des NCs-PBAT/Cu (Fig. 2a), NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O (Fig. 2b), et MCs-PBAT/CuSO₄ (Fig. 2c). La figure 2c a été préparée à trois concentrations (1, 2 et 3 % w /w ). Ces diffractogrammes ont été comparés à celui de la matrice polymère PBAT pour mettre en évidence l'effet des charges sur la structure polymère. Le diffractogramme PBAT a montré un diagramme de diffraction avec cinq pics de diffraction à 2θ = 16,1°, 17,3°, 20,2°, 23,1° et 25°, correspondant aux plans (011), (010), (101), (100) et (111), respectivement. Cette analyse a révélé l'existence d'une cristallinité dans la matrice polymère. La caractérisation du PBAT par Arruda et al. [40] utilisant XRD ont également trouvé les mêmes cinq pics de diffraction aux mêmes angles que ceux trouvés dans cette enquête, correspondant aux mêmes plans.

Diffractogramme de PBAT, NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, et MCs-PBAT/CuSO₄

Les diffractogrammes des nanocomposites avec des charges Cu-NPs sont montrés sur la Fig. 2a. Les signaux 2θ à 43°, 50° et 74° sont caractéristiques des plans (111), (200) et (220) de la structure FCC de Cu avec un groupe spatial Fm3m (JCPDS n°85-1326) [ 41]. Aucune phase correspondant à CuO ou Cu₂ O ont été observés dans le diffractogramme de NCs-PBAT/Cu, nous avons donc conclu que les nanoparticules n'étaient pas oxydées lors de la synthèse du nanocomposite. De plus, les diffractogrammes montrent que les nanoparticules n'affectent ni ne modifient la structure du PBAT et que l'intensité des pics est directement proportionnelle au pourcentage de charge des Cu-NPs. Les diffractogrammes des NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O ont six pics caractéristiques à 2θ = 36,4°, 43°, 42,4°, 50°, 61,5° et 74° (Fig. 2b). D'après la littérature et l'analyse des nanoparticules, seulement trois correspondent au métal Cu et les pics à 36,4°, 42,4° et 61,5° appartiennent à Cu₂ O, selon le spectre de ce type de nanoparticule montré sur la figure 1a [35].

Les pics de diffraction correspondant au Cu|Cu₂ Les renforts O-NPs sont devenus plus intenses à mesure que la concentration augmentait à l'intérieur de la matrice, mais les pics appartenant à la zone cristalline du polymère diminuaient légèrement en intensité avec l'incorporation de charges. Chivrac et al. [42] ont rapporté des résultats similaires dans une étude utilisant des charges de nanoargiles dans le PBAT. Ils ont suggéré qu'il n'y avait pas de transcristallinité significative à l'interface charge-polymère et, par conséquent, qu'il n'y avait aucun changement dans la structure cristalline du polymère. Cependant, la diminution de l'intensité des pics de diffraction du PBAT avec l'augmentation de la concentration de charges dans la matrice indique une baisse de la cristallinité du PBAT. Par conséquent, les charges entravent la croissance cristalline du PBAT. Ceci pourrait expliquer la légère diminution des pics de diffraction appartenant au PBAT avec l'augmentation de Cu|Cu₂ O-NPs.

La figure 2c montre les spectres XRD de MC-PBAT/CuSO₄ pour les trois concentrations de CuSO₄ de 1, 3 et 5%. L'ajout du 1% CuSO₄ charge n'a pas généré de changements dans le polymère. Les 3 et 5% CuSO₄ les courbes de charge ne montrent qu'une augmentation minimale de l'intensité des pics à 2θ = 36,4°, 40,25°, 43,94°, 57,9° et 75,7°, qui appartiennent au Cu et Cu₂ O présent, indiquant qu'une fraction du Cu₂ SO₄ a été réduit et oxydé pendant le processus de mélange. Quant à la zone cristalline du PBAT, l'augmentation de la concentration du CuSO₄ les renforcements ont diminué l'intensité des pics de diffraction dans PBAT, comme cela s'est produit pour les NCs-PBAT/Cu et NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O. Ainsi, l'incorporation de CuSO₄ dans la matrice polymère a diminué sa capacité de cristallisation, probablement parce que CuSO₄ empêche la croissance des cristallites. Car aucune information supplémentaire sur les spectres XRD de CuSO₄ dans les matériaux composites a été rapportée, nous devrons étudier son comportement dans les polymères biodégradables. Le degré de cristallinité de la matrice a été calculé comme suit :

où je _c est l'aire des pics de la phase cristalline et I _c + Je _un est l'aire totale sous le diffractogramme. Les valeurs de degré de cristallinité pour chaque matériau sont données dans le tableau 1. Ces résultats montrent que le pourcentage de cristallinité augmente avec la concentration de Cu-NPs et de Cu|Cu₂ O-NPs augmente dans la matrice PBAT, ce qui est évident avec l'augmentation de l'intensité des pics dans les diffractogrammes respectifs.

En revanche, les diffractogrammes montrent que les nanoparticules n'ont pas affecté ou modifié la structure du PBAT et que l'intensité des pics est directement proportionnelle au pourcentage de charge des Cu-NPs et Cu|Cu_{2 O-NPs. De plus, l'ajout du CuSO4 le sel précurseur diminue la cristallinité du polymère par rapport à celle du polymère à l'état pur. Cette condition s'est produite parce que l'ajout de concentrations de charges dans les nanocomposites a augmenté le pourcentage relatif de cristallinité mais a diminué la cristallinité du PBAT, un résultat qui, en général, a été signalé comme une légère augmentation du pourcentage total de cristallinité. Les MCs-PBAT/CuSO4 les charges ne présentaient pas de pics cristallins dans leurs spectres XRD. Par conséquent, ils n'ont pas contribué à l'augmentation de la cristallinité mais ont provoqué une diminution de la cristallinité dans la chaîne polymère, ce qui explique la diminution du pourcentage total de cristallinité dans le matériau composite. Some studies have shown that metal nanoparticles act as centers of nucleation in the orientation of the polymer chains, which in turn increases the crystallinity of the polymer [43].}

The FTIR (Additional file 1:Figure S6) spectra show that the characteristic peaks at different load concentrations are at the same frequency but have different intensities. The spectra show that as the concentration of nanoparticles in the polymer matrix increased, the intensity of the peaks corresponding to NCs-PBAT/Cu and NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O increased with respect to the PBAT. Therefore, there was no effective interaction between the chains of the PBAT and the nanoparticles. Had there been interaction, some of the signals in the FTIR spectrum would have been displaced as a result of the interaction of the functional groups of the polymer with the surface of the PBAT [40].

Mechanical Properties (Tensile Test)

To give multifunctionality to biopolymers, nanomaterials that provide special properties to a nanocomposite are usually incorporated. Their inclusion will change the mechanical properties of the material and the intensity of the changes is directly related to the union of the nanostructure with the polymer network [44]. We conducted tensile tests on the nanocomposites and the composite material. The tensile strength and maximum deformation values are summarized in Table 2.

Figure 3 shows the average curves of the tensile tests on the nanocomposites and composite material. As the permanent deformation of the material began, the effect of the concentration of the nanoparticles in the polymer could be distinguished. Figure 3a shows the results for NCs-PBAT/Cu. The results show that the inclusion of nanostructures did not considerably affect the elastic range but there were noticeable changes in the yield strength. As the concentration of the Cu-NPs increased, maximum resistance increased and maximum elongation decreased. These changes clearly indicate that the nanostructures harden the PBAT. At 3% concentration of Cu-NPs, the tensile strength slightly increased but the elongation percentage in the fracture decreased between 30 and 35%.

Stress and strain of PBAT, NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and MCs-PBAT/CuSO₄

Figure 3b shows the results of the tensile tests on the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O. The 1% load nanocomposite clearly showed an increase in tensile strength and elongation with respect to the PBAT. There was no appreciable effect on the elastic range, but it did appear to be above the yield stress. In addition, the curve for the 3% load NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O shows there was no significant difference with respect to the PBAT. The same behavior is seen with curve for the 5% load NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O. The curves for MCs-PBAT/CuSO₄ (Fig. 3c) show that the yield stress decreased for the three concentrations of CuSO₄ with respect to the PBAT.

From the results, we can conclude that the reinforcements did not significantly change the mechanical properties of the PBAT. Venkatesan and Rajeswari [45] showed a significant increase in mechanical properties by incorporating ZnO nanoparticles in a PBAT matrix with respect to that of the PBAT. Similar results with some improvements were obtained by Chen and Yang [46]. They elaborated a PBAT nanocomposite with montmorillonite nanoparticles using melt blending.

Our investigation found that the NCs-PBAT/Cu|Cu2O 3 and 5% and MCs-PBAT/CuSO4 1 and 5% had slightly decreased tensile strength, that is, there were no significant variations in the mechanical properties. However, the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 1% and MCs-PBAT/CuSO₄ 3% had slightly increased tensile strength. Therefore, no reinforcement at any concentration in the matrix caused remarkable variations in the mechanical properties of the PBAT. In addition, as the concentration of Cu-NPs increased, their mechanical properties increased the resistance of the PBAT but elongation could not be maintained. The results of the tensile tests showed that the commercial Cu nanoparticles improved the tensile strength of the PBAT slightly more than did the Cu|Cu₂ O nanoparticles and the CuSO₄ particules. The difference between the tensile properties found in our investigation and those in the literature could be attributed to load dispersion because the agglomerated particles act as stress concentrators [47]. Finally, the variations in the test values were explained by the preparation conditions of the test samples, the degree of crystallinity of the PBAT, the molecular mass, the degree of interaction at the polymer-reinforcement interface, and the load dispersion because the agglomerates in the matrix could act as stress concentrators.

Thermal Properties

One of the disadvantages of the PBAT is its low thermal stability because the fusion process can degrade its polymer chains [48]. Therefore, the effect of nanometric and micrometric loads on the decomposition of this biopolymer must be investigated. TGA of NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and MCs-PBAT/CuSO₄ was carried out to observe the changes in the thermal stability of the PBAT caused by the presence of Cu nanoparticles in the matrix. The TGA results are shown in Fig. 4, and the initial (T _di ) and final (T _df ) decomposition temperatures of the analyzed samples are summarized in Table 3. The thermograms show that the polymer without any load had a weight loss of 1% at 420.77 °C, while the nanocomposites NCs-PBAT/Cu 1, 3, and 5% presented a weight loss of around 3% (Fig. 4a). This suggests that the presence of Cu-NPs at concentrations of 3 and 5% slightly increases the thermal stability of the nanocomposites compared to that of the unloaded polymer. After the final thermal decomposition, the degradation percentages, at around 420–427 °C, of the PBAT matrix and nanocomposites NCs-PBAT/Cu 1, 3, and 5% were 98.9, 97.5, 95.4, and 96.8%, respectively. The residues were higher for Cu-NPs-incorporated nanocomposite samples. Similar results have been reported for PBAT nanocomposites with different loads of Ag-NPs [49].

TGA of a PBAT and NCs-PBAT/Cu, b NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and c MCs-PBAT/CuSO₄ , DTG of d PBAT and NCs-PBAT/Cu, e NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, f MCs-PBAT/CuSO₄

Although no significant change is seen among the curves in Fig. 4b for the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, the results show that as the Cu|Cu₂ O-NPs increased in the polymer structure, T _di increased and T _df decreased with respect to the initial and final degradation temperatures of PBAT; in addition, the total mass loss decreased. By calculating the derivative of the mass with respect to the temperature, we obtained the curves in Fig. 4d–f for the indicated peaks of the nanocomposite with Cu|Cu₂ O-NPs and found that T _df , at which the maximum decomposition occurs, was between 402 and 403 °C (Table 3).

The CuSO₄ loads incorporated into the polymer matrix, i.e., MCs-PBAT/CuSO₄ , yielded the same behavior as that of the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, with an increase in T _di and a decrease in T _df with respect to the PBAT polymer. The T _di values of the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O and the MCs-PBAT/CuSO₄ were greater than that of the NCs-PBAT/Cu, but the T _df and degradation percentage values were less than those of the nanocomposites with Cu-NPs loads.

This enhancement of the thermal stability of the PBAT is attributed to the barrier effect of the loads. The loads were also supposed to have a shielding effect on the matrix to slow the rate of mass loss of the decomposition product [50]. The data obtained by our analysis were compared with published results to verify that the indicated behavior is usual for this type of polymer. Sinha Ray et al. [51] found by thermal analysis of PBAT reinforced with nanoclays that the degradation temperatures of the nanocomposites were greater than or at least equal to that of the PBAT. In general, the reinforcements improve the thermal stability of the polymer matrix because they act as a heat barrier, which improves the total thermal stability of the system. However, the studies of Sinha Ray et al. and this investigation showed that the thermal stability of the nanocomposite and PBAT compounds only slightly improved. To explain the relatively low improvement in the thermal stability of some nanocomposites, Sinha Ray et al. assumed that in the early stages of thermal decomposition, the reinforcements displace the decomposition to higher temperatures, but in a second stage, the clay layers accumulate heat and then act as a source of heat. This heat source, along with the heat flow supplied by the external heat source, promotes the acceleration of decomposition. This could explain the behavior of the reinforcements in the NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O and MCs-PBAT/CuSO₄ . Thus, we conclude that the thermal properties of the nanocomposites and the composite material slightly improve but not significantly. On the other hand, the results of DSC (Additional file 1:Figure S7 and Table S1) indicated that the addition of reinforcements to the matrix slightly hindered the kinetics and degree of crystallization of the PBAT. The addition of clays increased the crystallization temperature from 1 to 10 °C and the melting temperature from 1 to 5 °C. These phenomena were probably due to an increase in the viscosity of the polymer with the addition of clays, which reduced the mobility of the macromolecular chains against the growth of crystals.

Comparative Evaluation of the Antimicrobial Activity of NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O, and MCs-PBAT/CuSO₄

Qualitative Test

After the experimental procedure was performed, we wanted to observe whether bacterial colonies were inhibited by each PBAT sample, i.e., NCs-PBAT/Cu 1, 3, and 5%; NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 1, 3, and 5%; and MCs-PBAT/CuSO₄ 1, 3, and 5%. We decided to use the 3% concentrations because the 1% concentrations did not produce enough bacterial inhibition and the 5% concentration produced behavior similar to that of the 3% concentration, the minimum percentage with activity that avoided toxicity in the polymer.

Quantitative Test

The study was carried out at different contact times using four bacterial strains and the PBAT samples NCs-PBAT/Cu 3%, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 3%, and MCs-PBAT/CuSO₄ 3%. The times and colony-forming unit counts (CFU/mL) are presented in Table 4, and the bacterial activity and colony count for each Petri dish are shown in Fig. 5. In addition, a graphical analysis is shown in Fig. 6, where images of bacterial growth are also presented. The statistical analysis of the data is summarized in Table 5.

Bacterial activity and colonization count PBAT, NCs-PBAT/Cu-3%, NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 3%, and MCs-PBAT/CuSO₄ 3% for each strain of bacteria. Staphylococcus aureus , Acinetobacter baumanni , Enterococcus faecalis , Streptococcus mutans

Graphical analysis of colony count (CFU/mL) vs time (h) of PBAT, NCs-PBAT/Cu-3% NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O 3%, and MCs-PBAT/CuSO₄ 3% for each strain of bacteria. Enterococcus faecalis , Acinetobacter baumanni , Streptococcus mutans , Staphylococcus au reus

The study of A. baumannii found that the colonies grew in all periods (2, 4, 6, and 8 h) in the samples containing Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and PBAT. High bactericidal activity occurred with the sample containing CuSO₄ during exposure times of 4, 6, and 8 h, decreasing from 7 × 10 ⁵ to 0 CFU/mL. The sample containing Cu-NPs showed a significant increase in the growth of bacterial colonies from 1 × 10 ⁵ to 6 × 10 ⁶  CFU/mL, with an average of 2 × 10 ⁶  CFU/mL. The bacterial colonies in the sample containing Cu|Cu₂ O-NPs grew from 7 × 10 ⁵ in time I to 6 × 10 ⁶ in time IV, with an average growth of 3.19 × 10 ⁶  CFU/mL. Bacterial growth in the PBAT reached an average of 1.75 × 10 ⁶  CFU/mL.

The study of E. faecalis found good bactericidal activity by the samples containing Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and CuSO₄ , with average colony growth of 5 × 10 ² , 1 × 10 ⁴ , and 2.2 × 10 ³  CFU/mL, respectively, while the PBAT did not show bactericidal activity and the colonies grew at all times. Colony growth in the sample containing Cu-NPs was 2 × 10 ³  CFU/mL at 2 h then dropped to zero at 4, 6, and 8 h, whereas the samples containing Cu|Cu₂ O-NPs had 0 CFU/mL at times I, II, and III, but 4 × 10 ⁴  CFU/mL at time IV. Samples containing CuSO₄ prevented the growth of bacteria in times I and II with growth activity of 0 CFU/mL, but colonies grew to 4 × 10 ³ and 5 × 10 ³  CFU/mL for times III and IV, respectively. PBAT did not show bactericidal activity against E. faecalis .

The study of S. mutans found no colony growth in the samples containing Cu|Cu₂ O-NPs and CuSO₄ . The sample containing Cu-NPs showed very good bactericidal activity except at time I, at which colony growth was 4 × 10 ³  CFU/mL, making the average growth for the four times 8 × 10 ²  CFU/mL. PBAT without reinforcement showed no bactericidal activity against S. mutans . The samples containing Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and CuSO₄ in contact with S. aureus showed an excellent bactericidal response. They completely inhibited the growth of colonies, while PBAT did not show any bactericidal activity against S. aureus , which grew an average of 6 × 10 ³  CFU/mL.

In general, the antibacterial effectiveness of polymer-and-metal nanocomposites improves with a high surface/volume ratio, which increases the number of ions released from the nanoparticles into the polymer. The mechanism of the corrosion of Cu in aqueous solutions and the resulting Cu species vary with pH. In general, the species Cu₂ O and CuO are formed and can be dissolved in Cu ions. Elemental metal particles require the presence of water and oxygen molecules to release a small amount of ions. Therefore, retention of water and oxygen within the polymer is crucial for the release of Cu ions. Some properties of polymer-and-metal nanocomposites such as the crystallinity and polarity of the matrix, which constitute a barrier for the diffusion of water molecules and ions during their propagation, can affect the rate of release. Shankar and Rhim [49] prepared films composed of PBAT and Ag nanoparticles (PBAT/Ag-NPs) that showed strong antibacterial activity against E. coli and Listeria monocytogenes compared with that of PBAT films without Ag-NPs. Similar results were obtained by Venkatesan and Rajeswari [45] when they evaluated the antimicrobial activity of ZnO-NPs incorporated in a PBAT matrix. The PBAT compound, which was used as a control matrix, showed no antimicrobial activity compared to the PBAT/ZnO-NPs nanocomposite films. The results showed that the films had high bactericidal activity against the pathogens tested (E. coli et S. aureus ), with increased inhibition of bacterial growth as the ZnO load concentration increased from 1 to 10% by weight. This ability of Cu, Zn, and Ag nanoparticles to inhibit bacterial growth is mainly due to the irreparable damage to the membrane of the bacterial cells caused by the interaction between the surface of the bacteria and these oxides and metals [52, 53]. Compared with the works discussed above, our investigation found significant antimicrobial activity against inpatient and oral-resistant strains.

To complement this investigation, we performed water absorption tests using three different media and following point 7.4, “Long-Term Immersion”, in ASTM D570-98. The results of these tests are reported in the supplementary material, Additional file 1:Table S2–S4 and Figure S8, with their respective analysis. Analysis showed that sulfate-based composite materials absorb large amounts of water, even in acidic and basic environments. This phenomenon greatly affects the mechanical properties of these materials; however, resistant bacteria, such as A. baumannii , require an immediate Cu ⁺ distribution to control them. This explains the antimicrobial power of CuSO₄ within the PBAT matrix.

Conclusions

Using XRD and TEM, we determined that the synthesis of nanocomposites and material composites based on PBAT using chemical reduction and a mixture of metal Cu nanoparticles with CuO₂ , where Cu had a spherical morphology and Cu₂ O had a polyhedral morphology. The structural characterization of the NCs and MCs by FTIR and XRD showed that the Cu-NPs, Cu|Cu₂ O-NPs, and CuSO₄ reinforcements did not modify the structure of the PBAT. However, they did slightly alter the percentage of its crystallinity, which increased with NPs and decreased with CuSO₄ . On the other hand, the mechanical properties of the PBAT for both the NCs and MCs did not vary significantly with the addition of reinforcements, meaning that the PBAT maintained its mechanical properties. From the thermal tests, we concluded that reinforcing the PBAT did not fundamentally improve its thermal properties, it only increased its thermal stability a few degrees Celsius, which is not significant. Antimicrobial analyses showed that the Cu|Cu₂ O-NPs within the PBAT generated antibacterial activity against E. faecalis et S. mutans and excellent bactericidal properties against S. aureus . CuSO₄ had a good bactericidal response against A. baumannii , E. faecalis , and S mutans and an exceptional response against S. aureus . The PBAT without loads did not present bactericidal properties when in contact with the bacterial strains. In general, the addition of loads into the PBAT generates bactericidal activity that the polymer does not possess by itself. The addition of CuSO₄ yielded the best antimicrobial response against the four strains used in this investigation. In the search for new applications for bionanocomposites, it will be essential to evaluate their antimicrobial response in food containers, medical devices, packaging, and other products; analyze their biocidal effects against other bacteria against which only NPs have antibacterial characteristics; and justify the expense associated with their synthesis.

Abréviations

Cu|Cu₂ O-NPs:

Copper/cuprous oxide nanoparticles

Cu-NPs:

Copper nanoparticles

CuSO₄ :

Copper sulfate

DSC :

Calorimétrie différentielle à balayage

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

MC:

Composite material

MCs-PBAT/CuSO₄ :

Composite materials of poly(butylene adipate-co-terephthalate) with copper sulfate

NC :

Nanocomposites

NCs-PBAT/Cu:

Nanocomposites of poly(butylene adipate-co-terephthalate) with copper nanoparticles

NCs-PBAT/Cu|Cu₂ O :

Nanocomposites of poly(butylene adipate-co-terephthalate) with copper/cuprous oxide nanoparticles

PBAT:

Poly(butylene adipate-co-terephthalate)

TEM :

Microscopie électronique à transmission

TGA :

Analyse thermogravimétrique

XRD :

Diffraction des rayons X