Plastik tradisional, yang berasal dari bahan bakar fosil, sebagian besar tidak dapat terurai dan menantang lingkungan yang signifikan. Responsnya, komunitas ilmu telah meningkatkan upaya untuk mengembangkan polimer yang dapat terurai yang dapat menggantikan bahan berbasis petroleum sambil menawarkan properti fungsional yang ditingkatkan melalui nanoteknologi. Bionanokomposit—matriks organik yang disperdi dengan nanomaterial anorganik—menunjukkan karakteristik optik, termal, mekanis, magnetik, dan optoelektronik yang superior karena luas permukaan tinggi dan reaktivitas pengisi skala nano.
Poli(butilena adipat-ko-tereftalat) (PBAT) adalah polieseter alifatik linear yang mirip dengan polietilena densitas rendah dalam fleksibilitas dan kemampuan diproses tetapi menderita kekuatan mekanis yang terbatas. Penggabungan pengisi skala nano dapat mengatasi kelemahan ini dan memberkati PBAT dengan atribut multifungsi, termasuk performa termomekanik yang ditingkatkan.
Mengontrol kolonisasi mikroba adalah persyaratan kritis untuk perangkat biomedis seperti kateter dan tubus endotrakeal. Menyematkan nanopartikel antibakteri dalam matriks polimer dapat sinergis meningkatkan properti antimikroba intrinsik material, potensialmente mencegah infeksi yang terkait perangkat. Meskipun profil mekanis dan kemampuan terurai PBAT yang menjanjikan, aplikasinya dalam perangkat medis masih kurang dieksplorasi.
Nanopartikel logam, khususnya tembaga, memiliki aktivitas antibakteri intrinsik yang bergantung pada ukuran, morfologi, dan kimia permukaan partikel. Keefektifan tembaga terhadap spektrum patogen yang luas—termasuk strain resistensi obat—telah divisualisasikan, namun studi sistematis yang membandingkan Cu, Cu/Cu₂O, dan CuSO₄ dalam PBAT masih langka. Studi ini mengevaluasi performa antimikroba nanokomposit PBAT yang berisi Cu-NPs, Cu|Cu₂O-NPs, dan komposit berbasis CuSO₄, bersama dengan analisis komprehensif properti struktural, mekanis, dan termal mereka.
Bahan dan Metode
Bahan
PBAT (Ecoflex, BASF, Ludwigshafen, Jerman) berfungsi sebagai matriks polimer. Cu-NPs komersial (kemurnian 99,99 %, 100–200 nm, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) digunakan langsung. Cu|Cu₂O-NPs disintesis dari CuSO₄·5H₂O, asam askorbat, dan NaOH melalui protokol reduksi kimiawi. CuSO₄ (Sigma-Aldrich) juga digunakan untuk menyiapkan komposit material.
Sintesis Nanopartikel melalui Reduksi Kimiawi
Menurut Khan et al., 0,1 M CuSO₄·5H₂O dilarutkan dalam air (120 mL). Larutan dipanaskan hingga 80 °C dalam mandi glikol propilena sementara 50 mL asam askorbat 10 mM ditambahkan. Setelah diaduk selama 30 menit pada ~390 rpm, 30 mL NaOH 1 M ditambahkan secara bertitik-titik. Larutan diaduk selama 2 jam tambahan, lalu didinginkan, disentrifugasi, dicuci dengan air dan etanol, dan diomik. Produk akhir dikeringkan pada 60 °C selama malam hari.
Sintesis Nanokomposit
PBAT dilelehkan pada 140 °C, dan 1, 3, atau 5 wt % Cu-NPs, Cu|Cu₂O-NPs, atau CuSO₄ ditambahkan. Blend dihomogenkan dalam reometer torsi (model 835205, Brabender) pada 60 rpm selama 7 menit. Muatan di atas 5 wt % mengakibatkan artefak fluoresensi dalam spektral Raman, jadi batas ini diberlakukan.
Karakterisasi
Properti struktural, mekanis, termal, dan antibakteri diperiksa. Cu-NPs dan Cu|Cu₂O-NPs dianalisis dengan XRD dan TEM. Nanokomposit PBAT dan komposit CuSO₄ dievaluasi melalui TGA, DSC, SEM, FTIR, XRD, pengujian tarik, dan uji difusi agar antibakteri. Papan sampel (100 × 100 × 1 mm) diproduksi dengan pencetakan kompresi (160 °C, 110 bar, 5 min) dalam press hidrolik Labtech.
Properti Morfologi dan Struktur
Cu|Cu₂O-NPs menampilkan campuran partikel Cu bola (≈ 40 nm) dan Cu₂O poliedra (≈ 150 nm). XRD mengonfirmasi refleksi Cu (111, 200, 220) dan Cu₂O (111, 200, 220). Cu-NPs bola (100–200 nm) dengan puncak XRD yang cocok dengan Cu fcc (JCPDS 85-1326). Komposit CuSO₄ tidak mengubah pola difraksi PBAT, meskipun puncak Cu dan Cu₂O rendah muncul pada muatan yang lebih tinggi.
Properti Mekanis (Uji Tarik)
Uji tarik ASTM D638 (50 mm/min, sel beban 1 kN) dilakukan pada lima spesimen per formulasi. Hasil menunjukkan bahwa Cu-NPs sedikit meningkatkan kekuatan tarik dan mengurangi regangan pada muatan yang lebih tinggi, sementara komposit Cu|Cu₂O-NPs dan CuSO₄ menunjukkan perubahan minimal, mempertahankan duktilitas inherent PBAT.
Properti Termal
TGA (20 °C–600 °C, 10 °C/min, N₂) mengungkapkan bahwa Cu-NPs meningkatkan suhu dekomposisi awal (T_di) sebesar 3–5 °C dan sedikit menurunkan suhu dekomposisi akhir (T_df) dibandingkan PBAT polos. Komposit Cu|Cu₂O-NPs dan CuSO₄ menghasilkan tren yang sama tetapi dengan T_df yang sedikit lebih rendah. DSC (25–200 °C, 10 °C/min, N₂) menunjukkan kenaikan modest pada suhu kristalisasi dan penurunan ringan pada suhu leleh, mencerminkan pengaruh pengisi nano terhadap nukleasi kristal.
Uji Aktivitas Antimikroba NC dan MC dengan Difusi Agar
Empat strain bakteri diuji: Enterococcus faecalis (isolat oral), Streptococcus mutans (ATCC 25175), Staphylococcus aureus (ATCC), dan Acinetobacter baumannii (isolat klinis ABA 538). Uji difusi kualitatif mengidentifikasi 3 wt % sebagai muatan optimal untuk analisis kuantitatif lebih lanjut. Uji kuantitatif dilakukan dalam kabinet biosafety, mengukur unit pembentuk kolon (CFU/mL) pada 2, 4, 6, dan 8 jam. Hasil menunjukkan inhibi bakteri yang signifikan oleh komposit CuSO₄, terutama terhadap A. baumannii yang resisten (pengusiran total pada 8 jam). Cu|Cu₂O-NPs secara efektif menekan E. faecalis dan S. mutans, sementara Cu-NPs paling potens terhadap S. aureus.
Hasil dan Pembahasan
Analisis reometrik mengonfirmasi bahwa pencampuran leleh selama 7 menit mencapai momen torsi seimbang, menunjukkan disperse yang lengkap dari pengisi nano. Kehadiran Cu-NPs mengurangi torsi sekitar 10 %, menunjukkan kemampuan diproses yang ditingkatkan. Beban Cu|Cu₂O-NPs dan CuSO₄ memiliki dampak yang dapat diabaikan pada torsi, kemungkinan karena ukuran partikel yang lebih besar.
Pola XRD nanokomposit menunjukkan bahwa puncak Cu dan Cu₂O bertambah intensitas seiring peningkatan kandungan pengisi, sementara puncak kristal PBAT berkurang sedikit, menunjukkan pengurangan modest pada kristalinitas keseluruhan. Indeks kristalinitas yang dihitung (X_c = I_c/(I_c + I_a)) meningkat untuk Cu-NPs dan Cu|Cu₂O-NPs tetapi berkurang untuk komposit CuSO₄, sesuai dengan perilaku termal yang diamati.
Spektra FTIR mengungkapkan frekuensi grup fungsional yang tidak berubah di seluruh formulasi, mengonfirmasi bahwa tidak ada interaksi kimia yang terjadi antara rantai PBAT dan pengisi anorganik.
Pengujian tarik mengungkapkan bahwa Cu-NPs meningkatkan kekuatan tarik ultimatum dari 19,2 MPa (PBAT polos) menjadi 20,4 MPa (5 wt %) sambil mengurangi regangan pada patah dari 35 % menjadi 28 %. Komposit Cu|Cu₂O-NPs dan CuSO₄ mempertahankan kekuatan tarik dalam ±2 % dari PBAT polos, menunjukkan bahwa integritas mekanis PBAT terpelihara bahkan pada muatan 5 wt %.
Hasil TGA menunjukkan peningkatan ringan pada stabilitas termal (ΔT_di ≈ +4 °C) untuk semua komposit, dengan Cu-NPs memberikan peningkatan tertinggi. Komposit Cu|Cu₂O-NPs dan CuSO₄ menunjukkan efek yang sama tetapi lebih tidak mencolok. Observasi ini konsisten dengan peran penghalang partikel anorganik, yang menahan kehilangan massa dengan menghambat transfer panas.
Uji antibakteri menekankan keunggulan komposit CuSO₄, mencapai inhibi total dari A. baumannii, E. faecalis, dan S. mutans dalam 6 jam dan S. aureus dalam 4 jam. Cu|Cu₂O-NPs sangat efektif terhadap S. aureus dan E. faecalis, sementara Cu-NPs unggul terhadap S. aureus. Perbedaan ini mencerminkan profil rilis ion dan kimia permukaan yang berbeda dari tiga aditif berbasis tembaga.
Kesimpulan
Studi ini menunjukkan bahwa PBAT dapat difungsionalkan dengan nanopartikel berbasis tembaga atau sulfat tembaga untuk menghasilkan komposit antibakteri yang kompatibel biologis tanpa mengorbankan performa mekanis atau termal. Komposit CuSO₄ menunjukkan aktivitas antimikroba yang paling kuat, termasuk terhadap strain resistensi, menjadikannya kandidat yang menarik untuk lapisan pelindung perangkat biomedis. Pekerjaan masa depan seharusnya berfokus pada pengujian in-vivo, kompatibilitas biologis jangka panjang, dan penskalaan produksi untuk aplikasi komersial.
Singkatan
- Cu|Cu2O-NPs:
Nanopartikel tembaga/oksida cuprium
- Cu-NPs:
Nanopartikel tembaga
- CuSO4:
Sulfat tembaga
- DSC:
Kalorimetri pemindaian diferensial
- FTIR:
Spektroskopi inframerah transformasi Fourier
- MC:
Material komposit
- MCs-PBAT/CuSO4:
Komposit material poli(butilena adipat-ko-tereftalat) dengan sulfat tembaga
- NCs:
Nanokomposit
- NCs-PBAT/Cu:
Nanokomposit poli(butilena adipat-ko-tereftalat) dengan nanopartikel tembaga
- NCs-PBAT/Cu|Cu2O:
Nanokomposit poli(butilena adipat-ko-tereftalat) dengan nanopartikel tembaga/oksida cuprium
- PBAT:
Poli(butilena adipat-ko-tereftalat)
- TEM:
Mikroskopi transmisi elektron
- TGA:
Analisis termogravimetri
- XRD:
Diffraksi sinar-X
