Nanofibra Hierarkis ZnO/Poliamida-6 dengan Aktivitas Antibakterial Tinggi yang Dibuat oleh Deposisi Lapisan Atom dan Pertumbuhan Hidrotermal
Abstrak
Studi ini mendemonstrasi integrasi deposisi lapisan atom (ALD) dan sintesis hidrotermal untuk menghiasi nanofibra poliamida-6 (PA-6) dengan oksida seng (ZnO). FE-SEM, HRTEM, dan STEM mengungkapkan bahwa ketebalan lapisan benih ZnO, yang dikontrol oleh jumlah siklus ALD, dan waktu paparan hidrotermal menentukan kemunculan mikro-nanostruktur khas mirip “lili air” dan “ulat bulu”. Uji antibakteri terhadap Staphylococcus aureus menunjukkan bahwa komposit inti-kulit ZnO/PA-6 secara signifikan menekan vitalitas bakteri, dengan arsitektur mirip ulat bulu memberikan inhibisi yang paling mencolok.
Latar Belakang
Nanostruktur hierarkis organik-anorganik memanfaatkan rasio luas permukaan terhadap volume tinggi dari desain biomimetik, memungkinkan aplikasi dalam katalisis, permukaan superhidrofobik, optoelektronika, piezoelektronika, dan bahan antibakteri. Serat fleksibel, khususnya, menawarkan rasio aspek tinggi, ringan, dan kekuatan tarik, menjadikannya substrat yang menarik untuk nanostruktur canggih. Elektrospinning adalah rute berkelanjutan yang hemat biaya untuk menghasilkan mat nanofibra yang dapat difungsikan lebih lanjut.
Deposisi lapisan atom menyediakan lapisan konformal yang dikontrol monolaer pada substrat dengan rasio aspek tinggi, menjadikannya ideal untuk secara seragam menghiasi nanofibra. Kombinasi electrospinning dan ALD telah menghasilkan arsitektur inti-kulit seperti PA-6/ZnO, ZnO/TiO₂, TiO₂/ZnO, dan lain-lain, sering diikuti oleh pertumbuhan hidrotermal untuk menciptakan nanorod ZnO (NR) dan morfologi lainnya.
Dalam karya ini, nanofibra PA-6 dibenihi dengan ZnO melalui ALD dan kemudian diberlakukan perawatan hidrotermal, menghasilkan dua morfologi hierarkis yang berbeda. Struktur-struktur ini dievaluasi untuk kinerja antibakteri, menyoroti potensinya dalam tekstil pelindung dan aplikasi biomedis.
Bagian Eksperimental
Nanofibra PA-6 dihasilkan dari larutan PA-6 15 wt % dalam asam formiat menggunakan tegangan 12 kV dan jarak ujung-pengolek 10 cm. Mat dikeringkan vakum pada 60 °C selama 12 jam untuk menghilangkan pelarut sisa. ALD ZnO dilakukan pada 110 °C dalam kamar khusus menggunakan dietil seng dan air, dengan 50, 100, atau 150 siklus untuk membuat lapisan benih. Langkah hidrotermal melibatkan merendam mat yang telah dibenihi dalam larutan heksametilentetramin 0,025 M/nitrat seng 0,025 M selama 1, 3, atau 6 jam pada 90 °C. Setelah pertumbuhan, sampel dicuci dan dikeringkan di udara.
Morfologi diperiksa dengan FE-SEM (Hitachi S4800, 1 kV) dan HRTEM (JEM-2100F, 200 kV). Pemetaan elemen dilakukan dengan STEM-EDX. Kristalinilai dievaluasi dengan XRD (Bruker D8 ADVANCE, Cu Kα). XPS (Kratos Axis Ultra, Al Kα) mem karakterisasi kimia permukaan. Aktivitas antibakteri diukur dengan mengukur zona inhibi terhadap S. aureus pada membran tebal 3 mm menggunakan busa slidir.
Hasil dan Pembahasan
Lapisan ZnO ALD pada Nanofibra
Gambar FE-SEM (Gambar 1a–d) menunjukkan nanofibra PA-6 seragam dengan diameter 125 ± 75 nm dan 30 ± 16 nm. Setelah 150 siklus ALD, lapisan kulit ZnO kontinu dengan ketebalan sekitar 14,6 nm terlihat (Gambar 1e), mengonfirmasi cakupan konformal. Spektra XPS (Gambar 2) mengungkapkan sinyal Zn 2p yang meningkat dengan jumlah siklus dan pergeseran puncak O 1s ke energi ikatan yang lebih rendah, yang menunjukkan cakupan ZnO yang lebih padat.
Nanofibra Hierarkis PA-6-ZnO
Pertumbuhan hidrotermal mengubah benih ZnO menjadi nanorod yang morfologinya bergantung pada jumlah siklus ALD dan waktu pertumbuhan. Setelah 3 jam, sampel 50 siklus membentuk kluster mirip lili air, sedangkan sampel 100 dan 150 siklus mengembangkan struktur mirip ulat bulu (Gambar 3f–h). Memperpanjang periode hidrotermal menjadi 6 jam mengurangi kepadatan nanorod pada nanofibra PA-6 polos tetapi mempertahankan bentuk hierarkis pada sampel yang dibenihi (Gambar 3i–l). TEM (Gambar 4a) mengonfirmasi bahwa banyak ujung nanorod terlepas dari serat, menjelaskan variasi morfologi yang diamati.
XRD (Gambar 4c) menunjukkan bahwa paparan hidrotermal yang lebih lama mempromosikan fase α-ZnO dan mengarah ulang kristalit PA-6, sementara XPS (Gambar 5) menunjukkan pergeseran puncak O 1s ke energi ikatan yang lebih rendah seiring waktu, yang mencerminkan perubahan kimia permukaan ZnO.
Aktivitas Antibakteri
Diameter zona inhibi meningkat dengan waktu hidrotermal untuk sampel 150 siklus, mencapai 1,5 mm untuk struktur mirip ulat bulu versus 1,03 mm untuk yang mirip lili air (Gambar 6). Kinerja unggulan nanorod mirip ulat bulu dikaitkan dengan rasio aspek yang lebih tinggi dan mungkin perubahan kimia permukaan ZnO.
Kesimpulan
Kami berhasil memproduksi nanofibra PA-6 dilapisi ZnO dengan morfologi hierarkis yang dapat dikontrol menggunakan lapisan benih ALD diikuti oleh pertumbuhan hidrotermal. Jumlah siklus ALD menentukan apakah lapisan benih ZnO kontinu atau tidak kontinu, yang pada gilirannya menentukan apakah nanorod mirip lili air atau ulat bulu terbentuk selama pemrosesan hidrotermal. Waktu hidrotermal lebih lanjut menyesuaikan orientasi kristal dan kimia permukaan ZnO. Pengujian antibakteri terhadap S. aureus menunjukkan bahwa struktur mirip ulat bulu memberikan inhibisi yang paling kuat, yang mengindikasikan bahwa baik morfologi maupun komposisi kimia sangat penting untuk efektivitas antimikroba.
