PAA(다공성 양극 알루미나) 필름은 서로 다른 시간 후에 2단계 양극 산화에 의해 제조되었으며, 그 다음 ZnO/PAA 복합 필름은 표면에 졸-겔 방법으로 제조되었습니다. 한편, ZnO/PAA 복합 필름은 X선 회절(XRD), 열중량/시차 열 분석기(TG/DTA), 푸리에 변환 적외선 분광기(FT-IR), 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경으로 특성화되었습니다. (TEM), 선택 영역 전자 회절(SAED) 및 물 접촉각(CA). Shewanella putrefaciens에 대한 ZnO/PAA 복합 필름의 항생물막 특성 동시에 측정했습니다. 결과는 PAA 및 ZnO/PAA 복합 필름의 미세 형태가 두 번째 양극 산화 시간에 의해 영향을 받는다는 것을 보여줍니다. ZnO는 육각형 wurtzite 구조이며 직경 10-30nm의 ZnO 입자가 PAA의 내부 또는 외부 표면에 부착됩니다. Si69에 의해 변형된 후 ZnO 필름은 친수성에서 소수성으로 변환됩니다. 최적의 항생물막 특성을 가진 ZnO/PAA 필름은 40분 동안 2단계 양극산화를 통해 PAA 표면에 준비됩니다. Shewanella putrefaciens 준수 초소수성에 의해 억제되고 풍부한 ZnO 입자에 의해 생물막 박테리아의 성장이 억제됩니다.
<섹션 데이터-제목="배경">우리가 알고 있는 바와 같이 박테리아는 단단한 표면에 달라붙어 적절한 환경에서 미끄러운 생물막을 형성할 수 있습니다[1]. 일반적으로 박테리아 생물막은 스테인리스강[2], 고무[3], 유리[4], 폴리스티렌[5]과 같은 재료의 표면에 단단히 부착됩니다. 생물막은 장비 부식[6]과 식품 오염[7]을 일으켜 막대한 경제적 손실을 초래할 것입니다. 많은 연구에서 생물막 접착은 거칠기[8,9,10,11], 미세구조[12, 13], 친수성[14,15,16,17] 및 항생제 성분과 같은 재료 표면의 특성에 의해 영향을 받는 것으로 나타났습니다. [18,19,20]. Bohinc et al. [10]은 유리의 표면 거칠기에 따라 세균 부착이 증가한다고 지적했다. Singh et al. [12]는 높은 표면 거칠기가 단백질 흡착을 개선하고 박테리아 접착 및 생물막 형성을 가속화할 수 있음을 입증했습니다. Bonsaglia et al. Listeria monocytogenes 소수성 표면(예:폴리스티렌)보다 친수성 표면(예:스테인리스 스틸 및 유리)에 더 잘 접착됩니다[14]. 다른 연구에서도 소수성 표면이 생물막 접착에 좋지 않다는 것이 입증되었습니다[16, 17]. 일부 연구에서는 항생제 성분이 생물막 형성을 억제할 수 있음을 보여주었습니다[18,19,20]. 344개의 Cu 함유 스테인리스 스틸 표면은 Cu 원소의 항균 활성을 이용하여 뛰어난 항균 및 항균막 특성을 가지고 있습니다[18]. 요컨대, 표면 특성은 재료의 항균막 특성에 매우 중요합니다.
알루미늄 소재가 널리 사용되어 왔으며 최근에는 광전기기능, 촉매기능, 센싱기능 분야에서 다공성 양극알루미나(PAA)가 주목받고 있으며[21,22,23,24], 항균활성은 다음과 같다. 보고했다. Ferraz et al. [24] PAA는 기질 상과 나노다공성으로 인해 단핵구/대식세포의 부착 활성화를 유도할 수 있다고 보고했습니다.
또한, 산화아연(ZnO) 박막은 항균 및 항진균에 탁월한 소재로 연구되고 있다. Pseudomonas aeruginosa의 준수 나노로드 표면 구조를 갖는 ZnO 필름에 대한 유리 및 스퍼터링된 ZnO보다 약하고 더 많은 P. 녹농균 ZnO 필름에서 죽습니다[25]. 한편, 한 연구에서는 ZnO로 코팅된 표면이 생물막 형성을 극적으로 제한하고 수산기 라디칼의 생성이 항생물막 활성에 중요한 역할을 했지만 아연 이온의 존재가 아닌 것으로 지적했습니다[26]. 또한, ZnO 복합 필름은 생물막 형성을 제한하기 위해 많은 분야에서 사용될 수 있으며 수산물 보존에 좋은 응용 전망을 가질 것입니다[27]. ZnO는 친수성인 반면 소수성 필름은 생물막 접착을 억제하는 데 좋습니다. 따라서 ZnO 박막의 소수성 개선이 필요하다.
수산물은 미생물 부패로 인해 매우 부패하기 쉽습니다[28]. 호기성 저장 조건에서 슈도모나스 종 및 Shewanella putrefaciens 우성 부패 유기체로 알려져 있다[29]. 쉬와넬라 퓨레파시엔스 psychrotrophic 성격을 가지며 trimethylamine-N을 감소시킬 수 있습니다. -옥사이드에서 트리메틸아민으로 [30]. 그래서 Shewanella putrefaciens 이 논문에서 지표 박테리아로 사용될 것입니다.
ZnO 필름의 미세 구조는 PAA 기반으로 인해 다르며 항균 필름 특성에 영향을 미칩니다. 이 작업에서 ZnO 필름은 다른 형태를 가진 PAA에 준비되었고 소수성을 개선하기 위해 수정되었습니다. Shewanella putrefaciens의 항생물막 특성 ZnO/PAA 복합 필름에 대해 연구했습니다. 결과는 식품 포장, 식품 가공 장비 및 기타 항균 기능 재료 분야의 응용 프로그램에 대한 잠재적인 가치를 제공합니다.
이 연구에 사용된 모든 시약은 분석적으로 순수했습니다. 탈이온수 및 멸균수를 사용하여 전도도가 0.5mS/cm 미만인 용액을 준비했습니다. 쉬와넬라 퓨레파시엔스 ATCC8071은 American Type Culture Collection에서 구입했습니다. 99.99% 이상의 알루미늄 순도를 가진 0.3mm 두께의 알루미늄 호일은 Shengshida Metal materials Co., Ltd.(중국)에서 구입했습니다.
고순도 알루미늄 호일을 10 × 30mm 2 의 작은 치수로 절단했습니다. 연마기(WV80, Positec Machinery Co., Ltd., 중국)로 50nm 실리카의 연마 페이스트로 연마하고 53kHz, 280W에서 15분 동안 아세톤에서 초음파 탈지(SK8210HP, Kudos Ultrasonic Instruments Co. Ltd ., 상하이). 그런 다음, 호일을 에탄올과 물로 각각 2회 세척하였다. 전처리된 알루미늄 호일을 양극으로, 등면적 흑연 시트를 음극으로, 0.3mol/L 옥살산 용액을 전해질로 사용했습니다. 첫 번째 양극 산화는 30°C 및 40V의 조건에서 90분 동안 수행되었습니다. 그 후, 알루미늄 시트를 6.0wt% H3의 혼합 용액에 침지시켰다. PO4 및 1.8wt% H2 CrO4 60°C에서 4시간 동안 가열하여 알루미나 층을 제거합니다. 그런 다음 동일한 조건에서 각각 0, 40, 60, 80분 동안 두 번째 양극 산화를 수행했습니다. 포트 모델이 다른 다공성 양극 알루미나(PAA) 필름을 얻었습니다.
먼저 0.02mol/L의 징크 아세테이트 에탄올 용액과 0.04mol/L의 NaOH 에탄올 용액을 동량으로 70°C에서 5분 동안 급속 교반하면서 혼합한 다음 PAA 필름(알루미늄 호일)을 혼합 용액에 침지했습니다. − 0.085 MPa의 진공도에서 그 후, 용액을 끓일 때까지 가열하였다. 엷은 청색 졸이 된 후 알루미늄 호일을 꺼내 탈이온수로 헹구었다. 그런 다음 샘플을 - 0.085MPa, 80°C에서 6시간 동안 진공 건조하고 480°C에서 2시간 동안 공기 분위기에서 소성하여 ZnO/PAA 복합 필름을 제조했습니다. 산화아연 분말을 동시에 제조하였다. 마지막으로 ZnO/PAA 복합 필름과 분말을 65°C에서 2시간 동안 1.0wt% Si69 에탄올 용액으로 개질한 다음 - 0.085MPa, 40°C에서 12시간 동안 진공 건조했습니다.
산화아연 분말의 X-선 회절은 X-ray 분말 회절계(Rigaku Ultima IV, Rigaku, Japan)를 사용하여 0.02° 및 2θ 간격으로 수행하였다. 40kV, 50mA의 CuKa 방사선으로 10°–80° 범위. 열중량/시차 열분석기(TG/DTA, Perkin Elmer Diamond)를 이용하여 시료의 열적 변화 및 중량 손실을 분석하였다. 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 스펙트럼은 4000–400cm 범위에서 Scimitar 2000 Near FT-IR Spectrometer(Agilent, American)로 기록되었습니다. −1 . PAA 필름과 ZnO/PAA 복합 필름의 표면 현미경 사진은 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, S-4800, Hitachi, Japan)으로 이미지화되었습니다. ZnO/PAA 복합 필름에서 깎인 나노 입자 형태는 전계 방출 투과 전자 현미경(FETEM, Jem-2100F, JEOL, Japan)과 선택된 영역 전자 회절(SAED, Jem-2100F, EOL, 일본)에 의해 측정됩니다. 샘플을 조사했습니다. 복합 필름(수정 전/후)의 물 접촉각(CA)은 탈이온수(SL200B, USA)의 3.0μL 방울을 사용하여 각 샘플 표면의 여러 다른 위치에서 고착 낙하 방법으로 측정되었습니다.
2차 활성화 Shewanella putrefaciens의 세균 현탁액 (OD595 ≈ 0.5)와 3%(m/v) NaCl의 알칼리성 펩톤수(APW)를 1:200(v /v ). ZnO/PAA 복합 필름(0.5 × 0.5 cm)을 3mL의 희석된 접종물에 담그고 28°C에서 일정 시간 동안 배양했습니다. 이 조건에서 Shewanella putrefaciens 잘 자라며 강력한 증식력을 보였다.
Shewanella putrefaciens의 세균 현탁액에서 배양한 후 일정 시간 동안 생물막이 있는 ZnO/PAA 복합 필름을 다른 멸균 원심분리 튜브로 옮기고 1mL의 0.85%(m/v) 멸균 NaCl 용액으로 3회 세척하여 유리 박테리아를 제거했습니다. 생물막은 1mL의 0.2%w/w로 염색되었습니다. 크리스탈 바이올렛을 실온에서 15분 동안 넣고 1mL의 0.85%(m/v) 멸균 NaCl 용액으로 3회 세척하여 중복 크리스탈 바이올렛을 제거했습니다. 그런 다음, 염색된 생물막을 초음파로 33%(v /v ) 53kHz, 280W에서 10분 동안 200μL의 아세트산 OD595 (595 nm에서 광학 밀도) 상기 용액의 VICTOR™ X3 마이크로플레이트 판독기(Perkin Elmer, America)에 의해 96-웰 마이크로타이터 플레이트에 기록되었습니다. 결과는 세 번의 병렬 실험의 "평균 ± 표준편차"로 표시되었습니다.
생물막이 있는 ZnO/PAA 복합 필름을 멸균 인산염 완충 식염수(PBS, pH 7.4; 137mmol/L NaCl, 2.7mmol/L KCl, 10mmol/L Na2)로 3회 세척했습니다. HPO4 및 1.8mmol/L KH2 PO4 ) 부유 박테리아를 제거하고 염색된 생물막을 10분 동안 53KHz, 280W에서 10mL 멸균 PBS에서 초음파 박리했습니다. 이어서, 생물막 내의 총 세균 수를 플레이트 카운트 방법으로 측정하였다. 3번의 병행 실험을 통해 결과를 '평균 ± 표준편차'로 나타내었고, 바이오필름 박테리아의 콜로니 성장 곡선을 그렸습니다.
부유 박테리아를 제거한 후, 생물막이 있는 ZnO/PAA 복합 필름을 2.5%(w /v ) 4시간 동안 4°C에서 글루타르알데히드 그 후, 샘플은 50, 70, 80 및 90%로 30분마다 탈수되었습니다(v /v ) 에탄올, 각각. 무수 에틸 알코올에 1시간 동안 담근 후 샘플을 깨끗한 벤치에서 자연적으로 공기 건조했습니다. 샘플의 표면 현미경 사진은 3kV에서 40초 동안 금 스퍼터 코팅 후 FESEM(S-4800, Hitachi, Japan)으로 이미지화되었습니다.
바이오필름이 부착된 ZnO/PAA 복합필름을 phosphate-buffered saline(PBS, pH =7.4)으로 3회 세척하여 부유세균을 제거한 후 시료를 0.01wt% 혼합용액에서 15분간 암실에서 염색하였다. 아크리딘 오렌지(AO, Sigma, America) 및 0.1wt% propidium iodide(PI, Sigma, America). 이후 PBS로 3회 세척하여 여분의 염색 용액을 제거하고 과도한 수분을 제거하였다. 형광 소광 방지제(Biosharp BL701A, 중국) 10 마이크로리터를 생물막에 떨어뜨리고 시료를 빛 없이 4°C에서 보관했습니다. 공초점 레이저 주사현미경(CLSM, TCS-SP5 II, Germany Leica Instrument Co., Ltd.)을 이용하여 생물막의 살아있는 세포와 죽은 세포의 비율을 관찰하였다[31, 32].
산화아연의 항균 및 항생물막 특성은 결정 구조의 영향을 받습니다[33, 34]. 그림 1은 샘플의 결정 구조가 소성 후 변형되었음을 보여줍니다. 하소 전에 샘플은 ZnO의 육각형 wurtzite 구조에 포함됩니다. 회절 피크는 2θ의 31.70°, 34.52°, 36.31°, 47.68°, 56.82°, 62.92° 및 67.92°입니다. (100), (002), (101), (102), (110), (103) 및 (112) 산화아연의 결정면에 해당(PDF # 36-1451, a =ㄴ =3.250 및 c =5.207), 각각. 넓은 회절 피크는 낮은 결정도와 ZnO의 작은 입자를 나타냅니다. 한편, 덜 불순한 피크는 샘플의 중간체를 나타냅니다. 230°C에서 소성하면 불순한 피크가 사라지고 측정된 노이즈가 감소하지만 회절 피크의 폭은 불변입니다. 중간체가 사라지고 결정의 정도가 높아진다는 의미입니다. 소성 온도가 증가함에 따라 ZnO의 회절 피크가 날카로워지며 이는 결정도가 증가하고 결정 입자가 성장함을 나타냅니다.
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다양한 온도에서 소성된 산화아연 분말의 XRD 패턴
Zn(CH3에서 결합된 물만) COO)2 ·2H2 O는 Zn(CH3)의 에탄올 용액에서 생성됩니다. COO)2 , 그리고 CH3의 가수분해 COO − 억제된다. 첫째, Zn(CH3 COO)2 가수분해되어 중간 생성물이 생성됩니다.
4Zn(CH3 COO)2 ·2H2 O → Zn4 O(CH3 COO)6 + 2CH3 COOH + 3H2 O(1)
가열 과정에서 콜로졸은 NaOH의 에탄올 용액과 CH3의 공간 입체 효과에 의해 촉진됩니다. COO − ZnO 콜로졸의 안정성에 매우 중요합니다. 한편, CH3의 중성 반응 NaOH와 함께 COOH가 발생합니다.
5Zn4 O(CH3 COO)6 + 22NaOH + 13H2 O → 4Zn5 (OH)8 (CH3 COO)2 ·2H2 O + 22CH3 쿠나(2)
채널3 COOH + NaOH→CH3 쿠나 + H2 O(3)
Spanhel과 Anderson[35]은 산화아연 알코겔이 ZnO 입자로부터 응집과 Ostwald Growth(노화)를 통해 형성된다고 지적했습니다. 그런 다음 Zn5의 중간체 (OH)8 (CH3 COO)2 ·2H2 O는 가열되어 ZnO 상으로 분해된다[36, 37]. 따라서 ZnO의 육각형 wurtzite 구조는 소성 전 건조 젤라틴의 기초입니다.
Zn5 (OH)8 (CH3 COO)2 ·2H2 O → 5ZnO + 2CH3 COOH + 5H2 O(4)
Hosono et al. [37]은 이 반응 메커니즘을 확인했다. Zn(CH3의 에탄올 용액 COO)2 ·2H2 O는 60°C에서 가열하는 동안 콜로이드 생성물로 변했고, XRD 결과는 젤라틴의 건조 생성물이 결정질 ZnO와 Zn5(OH)8의 혼합물임을 보여줍니다. (CH3 COO)2 ·2H2 O. 48시간 환류 후 입자는 wurtzite ZnO로 변환됩니다.
산화아연 젤라틴의 TG/DTA 결과는 그림 2와 같으며 TG 곡선은 3단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계에서 질량 손실은 실온에서 100°C까지 68.6%이며, 흡열 피크는 62°C에서 존재합니다. 이는 산화아연 젤라틴에서 손실된 에탄올 용매 및 물에 해당합니다. 두 번째 단계에서 질량 손실은 100~400°C에서 3.8%에 불과합니다. XRD 결과는 각각 230, 280 및 360°C에서 소성된 후 불순물이 사라지고 결정도가 증가했으며 결정 입자의 성장을 보여줍니다. 소량의 질량 손실은 간극수의 손실 및 불순물의 전이일 수 있습니다. 400~850°C에서는 질량 손실과 흡열 피크가 없으며, 이는 이 단계에서 결정 변형이 없음을 나타냅니다. 한편, XRD 결과는 480°C에서 소성 후 결정이 성장함을 보여줍니다. TG/DTA의 결과는 XRD 결과와 일치합니다.
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산화아연 젤라틴의 TG/DTA 그래프
그림 3은 수정되지 않은 소수성 수정 ZnO 필름의 FT-IR 스펙트럼을 보여줍니다. 3600~3300cm의 넓은 봉우리 −1 −OH의 신축 진동과 1651cm −1 의 피크에 기인합니다. 이는 각각 -OH의 굽힘 진동에 기인하며, 이는 샘플에서 흡수된 물과 모세관 물을 나타냅니다[38]. 2360 및 2328cm −1 에서 피크 공기 중의 이산화탄소 때문이라고 합니다. 2943 및 2864cm −1 의 피크 −CH2의 비대칭 및 대칭 신축 진동으로 인한 것입니다. , 각각. 1475cm −1 에서 더 강한 피크 -CH2의 면내 굽힘 진동 또는 가위 진동에 기인합니다. 그룹[39] 및 895cm −1 에서 피크 는 Si-O 그룹의 신축 진동에 기인합니다[40]. 약 440 및 414cm의 피크 −1 수정되지 않은/수정된 ZnO [41]의 Zn-O 그룹의 프레임워크 진동에 기인합니다. 결과는 수정으로 인해 Si69의 -S-S- 결합이 파열되고 triethoxysilylpropyl이 샘플에 그래프트되어 ZnO 필름의 소수성 특성이 증가함을 나타냅니다. Wang[42]은 화학 반응을 통해 나노 ZnO 입자의 표면에 그래프트된 Si69 및 Si69의 계내 개질에 의해 나노 ZnO 분산이 향상될 수 있다고 보고했다. 이는 우리의 분석 결과와 일치합니다.
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수정되지 않은/수정된 산화아연 필름의 FT-IR 스펙트럼
PAA 필름의 형태는 두 번째 양극 산화 시간의 영향을 받습니다. 그림 4와 같이 첫 번째 양극 산화 처리의 알루미나 층을 제거한 후 PAA 필름은 5-10nm의 나노 기공을 가진 직렬 육각형 벌집 프레임입니다(그림 4a). 40분 동안 2단계 양극산화 처리 후 나노 기공은 다층 쉘 프레임으로 변환됩니다(그림 4b). 60분 동안 2단계 양극 산화 후 다층 쉘 프레임이 사라지고 나노 기공의 직경이 20-40nm로 확대되는 한편 표면에 융기부가 있습니다(그림 4c). 2단계 양극산화 시간을 80분으로 연장하면 나노포어가 60~70nm로 확대되고 융기부가 사라집니다(그림 4d).
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2차 양극 산화 기간이 다른 다공성 양극 알루미나(PAA)의 SEM 이미지 a 0분, b 40분, c 60분, d 80분
AFAD(acidic field-assisted dissolution) 이론[43]에 따르면 양극산화 공정에서 배리어층의 산화막이 불균일해지고 융기부가 형성된다. 이 지점에서 미세 기공의 형성과 발달은 악화된 AFAD에 의해 촉진됩니다. 두 번째 양극 산화 시간이 길어지면 표면에 규칙적인 관통 구멍이 점차적으로 형성되고 다층 쉘 프레임과 융기가 사라집니다(그림 4b-d). 결과는 0.3mol/L 옥살산에서 2단계 양극 산화 공정을 통해 PAA를 제조한 Reddy's와 유사합니다[44].
재료 표면의 생물막 특성은 형태와 물질의 영향을 받습니다[12]. 도 5에 도시된 바와 같이, ZnO 필름의 형태는 2차 양극산화 지속 시간이 다른 PAA 필름에 준비된 상당히 다르다. 5~10nm의 나노기공을 갖는 PAA 필름의 표면에는 20~30nm의 덩어리진 큰 입자가 조밀하게 부착되어 두꺼운 ZnO 필름을 형성한다(그림 5a). 40분 동안의 2단계 양극산화 처리로 제조된 PAA 필름의 표면에는 ZnO 필름 위에 다층 쉘 프레임이 남아 있습니다(그림 5b). 도 5c에 도시된 바와 같이, ZnO 입자가 PAA 필름의 골격에 부착되어 더 큰 구멍을 형성하였다. 60~70nm의 나노포어를 가진 샘플에서 10~20nm의 ZnO 입자가 PAA 구멍의 가장자리에 부착되고 입자의 일부가 나노포어에 들어갔다(그림 5d). 이것은 콜로졸이 진공 상태에서 더 큰 구멍으로 들어간 다음 ZnO 입자를 형성할 수 있습니다. 위의 결과는 PAA의 나노포어 직경이 작을수록 ZnO의 부착율이 높다는 것을 나타낸다. Wu et al. [45] sol 입자의 음의 성질과 PAA 기공벽의 양의 성질로 인해 구멍의 벽에 콜로졸 입자가 쉽게 형성되는 것으로 생각된다. 이 발견은 Bousslama et al.의 연구와도 일치합니다. [46]. PAA 필름을 징크졸에 24시간 담그면 콜로졸이 구멍 벽에 붙고, 48시간 동안 구멍이 가득 차서 콜로졸 입자가 구멍 벽에 우선적으로 부착됨을 나타냅니다.
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2단계 양극 산화 기간 a의 다른 시간으로 PAA에 준비된 ZnO 필름의 SEM 이미지 0분, b 40분, c 60분, d 80분
위의 결과는 콜로졸 입자가 큰 구멍으로 쉽게 들어가고 진공 상태에서 내부 표면에 부착된다는 것을 보여줍니다. 그러나 콜로졸 입자는 작은 구멍이 있는 PAA 외부 표면의 골격에만 부착됩니다.
ZnO/PAA 복합 필름에서 깎은 ZnO 필름의 TEM 이미지는 그림 6에 나와 있습니다. 1단계 양극 산화로만 준비된 PAA 표면에서 박리된 ZnO 입자는 약 10nm이지만 입자는 20-30 nm는 SEM 이미지에 표시되며(그림 5a), ZnO 입자가 덩어리져 있음을 나타냅니다. 2단계 양극산화로 제조된 PAA 표면에서 박리된 ZnO 입자는 약 20nm이며, 입자의 일부는 개별 위치에서 뭉친다. ZnO 입자가 PAA 구멍의 가장자리에 먼저 부착되어 있음을 알 수 있습니다(그림 6c, e, f).
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TEM 이미지(a , ㄷ , e , f ) 및 SAED 패턴(b , d ) 2단계 양극산화 지속 시간이 다른 PAA에 준비된 ZnO 필름의 a , b 0분 c , d 40분 이 60분 및 f 80분
육각형 wurtzite 구조 ZnO의 격자 평면 (100), (101), (102), (110) 및 (103)은 SAED 패턴으로 표시되며(그림 6b, d), 이는 ZnO가 육각형 wurtzite임을 나타냅니다. 결과는 XRD 분석과 일치합니다.
재료의 세균 부착을 감소시키기 위해 제조된 마이크로모폴로지가 다른 ZnO 필름에 소수성을 향상시키기 위한 처리를 하였으며, 개질 전후의 박막 표면의 물 접촉각은 Table 1과 같다.
개질 전에 ZnO 필름은 ZnO 입자의 표면 하이드록실 그룹으로 인해 친수성입니다. 40분의 2단계 양극산화 기간으로 PAA 표면에 형성된 다공성 구조로 친수성이 가장 우수합니다. 2단계 양극산화 기간이 60분과 80분인 다른 샘플의 경우 ZnO의 낮은 접착량으로 인해 친수성이 점차 감소합니다. 1단계 아노다이징 지속시간을 가진 샘플의 경우, 낮은 친수성은 그것의 비다공성 구조 때문입니다.
수정 후 ZnO 필름은 소수성으로 변환됩니다. FT-IR 분석에 따르면, 트리에톡시실릴프로필은 Si69의 -S-S- 결합이 파열된 후 샘플에 그래프트됩니다. 한편, 다공성 구조와 더 많은 ZnO 입자의 결과일 수 있습니다. 필름은 40분의 2단계 양극산화 기간으로 가장 높은 소수성을 나타냅니다.
Chi et al. [47]은 양극산화 처리된 알루미늄이 그람음성균(Escherichia coli 및 P. 녹농균 ) 및 그람 양성 박테리아(연쇄상구균 및 황색포도상구균 ). 그러나 ZnO는 항균 및 항생물막 활성이 우수하고[25,26,27], 항균과 항생물막 활성 사이에는 양의 상관관계가 있다[48, 49]. 또한 ZnO의 항균 특성은 미세 구조의 영향을 받습니다[50, 51]. 우수한 항균막 활성 표면을 얻기 위해 PAA막에 2차 양극산화 시간을 다르게 하여 미세구조가 다른 ZnO막을 준비하고 항균막 특성을 측정하였다.
박테리아 생물막의 형성과 발달은 5단계로 결론지을 수 있습니다. 가역적 접착에서 비가역적 접착으로의 전환; 생물막의 초기 형성; 성숙한 생물막의 발달; 그리고 생물막의 퇴화와 박테리아는 플랑크톤 상태로 돌아갑니다[52].
그림 7(1)과 같이 2시간 만에 Shewanella putrefaciens ZnO 필름의 생물막은 빠르게 증가하여 박테리아의 가역적 접착에서 비가역적 접착으로의 전환을 보여줍니다. 2시간에서 12시간 사이에 바이오필름의 접착력이 점차 증가하는데, 이는 바이오필름의 성장 단계입니다. 12시간에서 24시간 사이에 생물막의 부착이 약간 증가하거나 감소하여 생물막의 성숙 단계를 나타냅니다. 24시간이 지나면 생물막의 접착력이 떨어지고 생물막이 퇴화 단계에 들어갑니다. 그림 7(2)는 균막 세균의 변이 경향이 균막의 부착에 따라 일치함을 보여주며, 이는 균막의 발달이 균막 균에 의존함을 나타낸다.
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Shewanella putrefaciens의 접착력 생물막(1 ) 및 생물막 박테리아의 집락 성장 곡선(2 ) PAA에 준비된 ZnO 필름에 대해 2단계 양극산화 지속 시간(a) 0분, (b) 40분, (c) 60분, (d) 80분
또한, 80분 동안 2단계 양극산화 기간으로 PAA 표면에 제조된 ZnO 필름의 경우 4개의 샘플 중 생물막의 접착력과 생물막 박테리아의 총량이 모두 가장 높습니다. 그러나 40분 동안 2단계 양극산화 기간으로 PAA 표면에 준비된 ZnO 필름의 경우 항균 필름 특성이 최적입니다. 이것은 가장 높은 소수성에 의해 억제되는 생물막 부착 때문일 수 있으며, 생물막 박테리아의 성장에 대한 엑소폴리사카라이드(EPS) 및 기타 영양소가 적습니다. 80분의 2단계 양극산화 기간으로 PAA 표면에 제조된 ZnO 필름의 경우 친수성이 생물막의 초기 접착에 좋으며 ZnO 입자가 적어 생물막 박테리아의 성장을 억제하지 않습니다. 한편, 더 많은 생물막 접착 물질이 생물막 박테리아에 영양을 공급하고 생물막 박테리아가 빠르게 증식합니다. 우리의 연구와 일치하게, 생물막 형성 초기 단계에서 ZnO 막의 더 높은 소수성으로 인해 생물막 접착이 억제됩니다[49]. 생물막의 접착은 재료의 소수성 및 친수성 특성에 의해 영향을 받습니다[14, 53, 54]. Bonsaglia et al. [14] 보고했다 L. 단세포유전자 소수성 표면보다 친수성 표면에 더 쉽게 부착됩니다. Many studies found that the bacterial adhesion is reduced or inhibited by hydrophobic surface [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 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.
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
In this work, the PAA films with different microstructures were prepared by two-step anodic oxidation first, and then the ZnO/PAA composite films are prepared by sol-gel. The ZnO films are hydrophilic due to the surface hydroxyl group on the ZnO particles. After being modified by Si69, the ZnO films translate to hydrophobicity because of its hydrophobic group. The antibiofilm properties of the ZnO films are affected by the hydrophobicity and amount of ZnO particles. The hydrophobicity inhibits the initial adherence of the biofilm and less EPS and the other nutrient against the growth of biofilm bacteria. So, the antibiofilm properties of the ZnO/PAA film are optimal which are prepared on the PAA surface with two-step anodization duration for 40 min because of its super-hydrophobicity and plenty of ZnO particles.
Acridine orange
Water contact angle
Exopolysaccharides
Fourier transform infrared spectrometer
Porous anodic alumina
인산염 완충 식염수
Propidium iodide
선택된 영역 전자 회절
주사전자현미경
투과전자현미경
Thermogravimetric/differential thermal analyze
X-ray diffusion
나노물질
초록 Nb 도핑된 SrSnO3 (SSNO) 박막은 LaAlO3에서 에피택셜 성장되었습니다. (001) 다양한 산소 압력 및 기판 온도 하에서 펄스 레이저 증착을 사용하는 단결정 기판. 필름의 결정 구조, 전기적 및 광학적 특성을 자세히 조사했습니다. X-선 회절 결과는 에피택셜 특성을 유지하면서 산소 압력이 증가함에 따라 필름의 셀 부피가 점진적으로 감소함을 보여줍니다. X선 광전자 분광법 분석으로 Nb5+ 확인 SSNO 필름의 산화 상태. 홀 효과 측정이 수행되었으며 780°C 기판 온도에서 0.2 Pa에서 제조된 필름은 31.
초록 산화아연 나노입자(ZnO NPs)는 산업, 상업 제품 및 의약 분야를 포함한 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다. ZnO NP의 독성에 대한 수많은 기계론적 연구가 깨끗한(신선한) NP에 대해 수행되었습니다. 그러나 변형된(노화) ZnO 나노입자에 의해 유도된 세포독성과 기본 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다. 여기에서 우리는 시간이 지남에 따라 ZnO NP의 물리화학적 변형을 관찰한 후 신선하고 오래된 NP의 세포 독성을 평가했습니다. 우리는 신선한 ZnO 나노입자가 노화된 나노입자보다 더 높은 세포자멸사 수준을 유도한다는
