Cu 및 Cu/Cu2O 나노입자와 CuSO4를 사용한 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트) 기반 나노복합체 및 복합재의 항균 효과 비교 연구

결과 및 토론

유동 측정법은 나노복합체가 처리된 실제 조건에 가까운 조건에서 나노복합체의 유동학적 특성을 동적으로 측정하는 데 사용됩니다. 이를 위해 용융 혼합 시 점도 변화를 제어하기 위한 측정을 수행했습니다. 이러한 측정 결과는 추가 파일 1:그림 S5에 나와 있습니다. 모터 토크의 증가는 폴리머의 용융 점도와 관련이 있으며[21, 36], 값은 혼합 4 분 후에 일정하기 시작합니다. 이것은 이 작업에서 설정한 7 분의 혼합 시간이 완전한 혼합을 달성하기에 충분했음을 확인시켜줍니다.

PBAT 및 NCs-PBAT/Cu 1% 매트릭스에 대한 토크 값은 약 19.86 N m였습니다. 곡선(추가 파일 1:그림 S5)은 Cu-NPs의 1% 농도가 매트릭스의 기계적 특성에 거의 영향을 미치지 않았음을 나타내지만 NCs-PBAT/Cu 3에 대해 18.4 및 17.4 N m의 더 낮은 평형 토크 값이 얻어졌습니다. % 및 NCs-PBAT/Cu 5%, 각각. 이러한 결과는 NCs-PBAT/Cu의 가공성이 PBAT 매트릭스와 관련하여 개선되었음을 분명히 의미합니다[37]. NCs-PBAT/Cu|Cu₂의 혼합물에서도 유사한 결과가 얻어졌습니다. O, 평형 토크 값은 부하 비율이 3%로 증가함에 따라 감소했지만 5% 부하에서는 Cu|Cu₂의 1% 부하에 매우 가까운 값을 산출했습니다. O-NP. 평형 토크 값은 1, 3 및 5%에 대해 각각 19.39, 19.07 및 19.37 Nm였습니다. MCs-PBAT/CuSO₄의 경우 혼합물, 평형 토크 값은 CuSO₄의 부하로 증가했습니다. 즉, 1%의 경우 18.71 N m, 3%의 경우 19.16 N m, 5% 부하의 경우 19.79 N m로 증가했습니다. 이 동작은 CuSO₄의 크기에 기인할 수 있습니다. 결정체. 동시에 추가 파일 1:그림 S5는 혼합 시간이 증가함에 따라 모든 나노복합재료와 복합재료의 평형 토크가 안정적임을 보여주며, 이는 나노입자가 고분자 사슬과 고분자 사슬 사이의 응집력을 감소시키기 때문에 혼합기에서 열분해가 발생하지 않았음을 나타냅니다. 혼합 과정에서 자기 윤활을 수행할 가능성이 가장 높습니다[37].

형태 및 구조적 특성

먼저, 화학적 환원에 의해 얻어진 나노입자를 분석하였다. Cu|Cu₂ 합성 결과 O-NP는 그림 1b에 나와 있습니다. TEM 현미경 사진은 구형 입자와 다면체 입자의 혼합물을 보여줍니다. 구형 나노입자의 평균 직경은 26 nm인 반면(그림 1c), 다면체 나노입자의 직경은 80~160 nm 범위였습니다. 이 나노입자의 조성은 금속 Cu 및 Cu₂에 해당하는 상을 발견한 SAED(Selected Area Electron Diffraction)(그림 1c)에 의해 결정되었습니다. O. 이 발견은 그림 1a에 표시된 회절도에 의해 확증되었습니다. 2θ =36.3°, 42.17°, 43.42°, 50.63°, 61.47° 및 74.37°에서 6개의 회절 피크가 명확하게 관찰되었습니다. CuSO₄를 화학적으로 환원하여 나노입자를 합성하였기 때문에 CuO에 대한 회절 피크는 X선 분말 회절 패턴의 X'Pert HighScore 데이터베이스에서 Cu에 대한 데이터로 확인되었습니다. 2θ =43.2°, 50.63°, 74.37°의 피크가 금속 Cu 회절면(111), (200), (220)에 속하는 것을 관찰했습니다. 다른 3개의 피크는 합성된 나노입자가 하나 이상의 물질을 포함하고 있으므로 회절 패턴이 둘의 조합임을 보여줍니다. Wijesundera[38]는 Cu₂ 박막을 분석했습니다. O는 XRD를 사용하여 2θ =36.3°, 42.17° 및 61.47°에서 회절된 평면이 Miller 지수 (111), (200) 및 (220)에 해당함을 보여주었습니다. 이 지수는 Cu₂의 구조와 일치하는 Antifluorite 구조의 중앙 영역의 일부에 해당하는 FCC(Face-Centered Cubic Structure)에 속합니다. O, SAED 분석 결과에 따름.

아 합성된 Cu 및 CuO2 나노입자의 XRD. ㄴ , ㄷ 합성된 나노입자의 TEM 이미지, 크기 분포 및 회절 패턴. d Cu 나노 입자의 XRD. 이 , f Cu 나노 입자의 TEM 이미지, 크기 분포 및 회절 패턴

Wang et al. [39]는 화학적 환원에 의한 Cu-NPs 합성 동안 입자의 크기가 100~150 nm 범위임을 발견했다. 그들은 C₆을 사용했습니다 H₈ O₆ 환원제로 폴리(비닐피롤리돈)(PVP)을 계면활성제로 사용합니다. 얼굴이 Cu₂의 얼굴과 일치하지 않습니다. O PVP가 성장하는 종자를 안정화시켜 산화를 방지하기 때문입니다. 그러나 우리 조사의 목적은 Cu₂ O NP는 PVP와 같은 안정화제를 사용하지 않고 화학적 환원으로 얻을 수 있습니다.

나노복합체의 제조에 사용된 Cu-NP는 직경이 100~200 nm 범위인 구형이었습니다(그림 1e, f). 그림 1d에 표시된 Cu-NP에 대한 XRD 패턴에서 43.60°, 50.72° 및 73.95°에서 명확하게 관찰된 3개의 피크는 각각 결정면 (111), (200) 및 (220)에 해당합니다. Fm3m 공간군을 갖는 입방정 구조(JCPDS No.85-1326)[55]는 SAED 분석에 의해 발견된 구조와 일치한다(그림 1d).

공급업체에 따르면 우리 연구에 사용된 금속 입자는 기계적 연삭 시스템을 통해 얻었습니다. 이 방법의 단점은 작은 비율의 입자(~ 10%)가 500 nm보다 크다는 것입니다. 그러나 이것은 우리 조사의 목적에 부정적인 영향을 미치지 않았습니다. 아래에서 우리는 이 분산이 PBAT 매트릭스의 열기계적 특성에 어떻게 영향을 미치는지 보여줍니다. 중요한 것은 기계적 분쇄 방법은 화학적 환원 방법으로 알려진 습식 합성 방법의 경우와 같이 전구체 또는 안정제를 사용하지 않는다는 것입니다. 따라서, 연마에 의해 얻어진 Cu-NPs의 표면은 안정제 또는 반응 부산물로부터 분자의 흡착에 의해 부동태화되지 않는다. 따라서 이러한 Cu-NP는 중합체의 기계적 특성을 실질적으로 개선하지 않지만 열화하지 않습니다. 그러나 Cu ²⁺ 부동태화되지 않은 표면에서 촉진됩니다.

그림 2는 NCs-PBAT/Cu(그림 2a), NCs-PBAT/Cu|Cu₂의 XRD 스펙트럼을 나타냅니다. O(그림 2b) 및 MCs-PBAT/CuSO₄ (그림 2c). 그림 2c는 세 가지 농도(1, 2, 3% w /와 ). 이러한 회절도는 폴리머 구조에 대한 하중의 영향을 입증하기 위해 PBAT 폴리머 매트릭스의 회절도와 비교되었습니다. PBAT 회절도는 평면 (011), (010), (101), (100) 및 (111), 각각. 이 분석은 폴리머 매트릭스에 결정성의 존재를 보여주었습니다. Arruda et al.에 의한 PBAT의 특성화. [40] XRD를 사용하여 동일한 평면에 해당하는 이 조사에서 발견된 것과 동일한 각도에서 동일한 5개의 회절 피크도 발견했습니다.

PBAT, NCs-PBAT/Cu, NCs-PBAT/Cu|Cu₂의 회절도 O 및 MCs-PBAT/CuSO₄

Cu-NPs 부하가 있는 나노복합체의 회절도는 그림 2a에 나와 있습니다. 43°, 50°, 74°에서의 2θ 신호는 Fm3m 공간군을 갖는 Cu의 FCC 구조(JCPDS No.85-1326)의 평면 (111), (200), (220)의 특징이다. 41]. CuO 또는 Cu₂에 해당하는 상 없음 NCs-PBAT/Cu의 회절도에서 O가 관찰되어 나노복합체 합성 과정에서 나노입자가 산화되지 않았다고 결론지었다. 또한, 회절도는 나노입자가 PBAT의 구조에 영향을 미치거나 수정하지 않았으며 피크의 강도가 Cu-NP의 부하 백분율에 정비례한다는 것을 보여줍니다. NCs-PBAT/Cu|Cu₂의 회절도 O는 2θ =36.4°, 43°, 42.4°, 50°, 61.5° 및 74°에서 6개의 특징적인 피크를 가집니다(그림 2b). 문헌 및 나노입자 분석에 따르면 3개만이 금속 Cu에 해당하며 36.4°, 42.4° 및 61.5°의 피크는 Cu₂에 속합니다. O, 그림 1a에 표시된 이러한 유형의 나노 입자의 스펙트럼에 따르면 [35].

Cu|Cu₂에 해당하는 회절 피크 O-NPs 보강재는 매트릭스 내부의 농도가 증가함에 따라 더 강해졌지만 폴리머의 결정질 영역에 속하는 피크는 하중이 포함될수록 강도가 약간 감소했습니다. Chivrac et al. [42]는 PBAT에서 많은 양의 나노클레이를 사용한 연구에서 유사한 결과를 보고했습니다. 그들은 하중-고분자 계면에서 유의미한 transcrystallinity가 없었고 따라서 고분자의 결정 구조에 변화가 없다고 제안하였다. 그러나 매트릭스의 부하 농도가 증가함에 따라 PBAT의 회절 피크 강도가 감소하는 것은 PBAT의 결정도가 저하되었음을 나타냅니다. 따라서 부하는 PBAT의 결정 성장을 방해합니다. 이것은 Cu|Cu₂의 증가와 함께 PBAT에 속하는 회절 피크의 약간의 감소를 설명할 수 있습니다. O-NP.

그림 2c는 MC-PBAT/CuSO₄의 XRD 스펙트럼을 보여줍니다. CuSO₄의 세 가지 농도에 대해 1, 3, 5%입니다. 1% CuSO₄ 추가 하중은 폴리머에 변화를 일으키지 않았습니다. 3% 및 5% CuSO₄ 하중 곡선은 Cu 및 Cu₂에 속하는 2θ =36.4°, 40.25°, 43.94°, 57.9° 및 75.7°에서 피크 강도의 최소 증가만 보여줍니다. O 존재, Cu₂ SO₄ 혼합 과정에서 환원 및 산화됩니다. PBAT의 결정질 구역은 CuSO₄ 농도 증가 보강재는 NCs-PBAT/Cu 및 NCs-PBAT/Cu|Cu₂에서 발생한 것처럼 PBAT에서 회절 피크의 강도를 감소시켰습니다. O. 따라서 CuSO₄의 통합 아마도 CuSO₄ 때문일 것입니다. 결정체의 성장을 방해합니다. CuSO₄의 XRD 스펙트럼에 대한 추가 정보가 없기 때문에 복합 재료에서 보고된 바 있지만 생분해성 폴리머에서 그 거동을 조사해야 합니다. 매트릭스의 결정화도는 다음과 같이 계산되었습니다.

나 _ㄷ 는 결정상의 피크 면적이고 I _ㄷ + 나 _아 는 회절도 아래의 전체 면적입니다. 각 물질의 결정화도 값은 Table 1과 같다. 이러한 결과는 Cu-NPs와 Cu|Cu₂의 농도에 따라 결정화도의 비율이 증가함을 보여준다. O-NP는 PBAT 매트릭스에서 증가하며, 이는 각 회절도에서 피크의 강도가 증가함에 따라 분명합니다.

한편, 회절도는 나노입자가 PBAT의 구조에 영향을 미치거나 수정하지 않았으며 피크의 강도가 Cu-NP와 Cu|Cu_{2의 부하 백분율에 정비례한다는 것을 보여줍니다. 하위> O-NP. 또한 CuSO4의 추가 전구체 염은 순수한 상태의 중합체에 비해 중합체의 결정성을 감소시켰다. 이 조건은 나노복합체에 부하 농도를 추가하면 상대적인 결정도 백분율이 증가하지만 PBAT의 결정도가 감소하기 때문에 발생했으며 일반적으로 전체 결정도 백분율이 약간 증가하는 것으로 보고되었습니다. MC-PBAT/CuSO4 하중은 XRD 스펙트럼에서 결정성 피크를 나타내지 않았습니다. 따라서 그들은 결정도 증가에 기여하지 않고 고분자 사슬의 결정도 감소를 유발하여 복합 재료의 전체 결정도 백분율 감소를 설명합니다. 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 입자. 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. 황색포도상구균 , 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. 구균 showed an excellent bactericidal response. They completely inhibited the growth of colonies, while PBAT did not show any bactericidal activity against S. 구균 , 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. 대장균 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 및 S. 구균 ), 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.