הכנת גלילים באתר של בדים לא ארוגים המכילים כסף, הניתנים למחזור ורחיצים

תודה שביקרתם באתר Nature.com. גרסת הדפדפן בה אתם משתמשים תמכה ב-CSS באופן מוגבל. לקבלת התוצאות הטובות ביותר, אנו ממליצים להשתמש בגרסה חדשה יותר של הדפדפן שלכם (או לכבות את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, אנו מציגים את האתר ללא עיצוב או JavaScript.
כיום, בדים פונקציונליים בעלי תכונות אנטיבקטריאליות פופולריים יותר. עם זאת, ייצור חסכוני של בדים פונקציונליים בעלי ביצועים עמידים ועקביים נותר אתגר. פוליוויניל אלכוהול (PVA) שימש לשינוי בד לא ארוג מפוליפרופילן (PP), ולאחר מכן הופקדו חלקיקי ננו-כסף (AgNPs) באתר כדי לייצר בד PP עמוס ב-AgNPs שעבר שינוי ב-PVA (המכונה AgNPs). /PVA/PP. אנקפסולציה של סיבי PP באמצעות ציפוי PVA מסייעת לשפר משמעותית את ההידבקות של NPs עמוסי Ag לסיבים של PP, ובדים לא ארוגים של Ag/PVA/PP מציגים תכונות מכניות משופרות משמעותית ועמידות בפני Escherichia coli (המכונה E. coli). באופן כללי, בד לא ארוג של Ag/PVA/PP המיוצר בריכוז אמוניה כסף של 30mM הוא בעל תכונות מכניות טובות יותר, ושיעור ההגנה האנטיבקטריאלית מפני E. coli מגיע ל-99.99%. הבד עדיין שומר על פעילות אנטיבקטריאלית מצוינת לאחר 40 כביסות ויש לו פוטנציאל לשימוש חוזר. בנוסף, לבד לא ארוג מ-Ag/PVA/PP יש פוטנציאל יישום רחב בתעשייה בשל חדירות האוויר והלחות הטובות שלו. בנוסף, פיתחנו גם טכנולוגיית גליל-לגליל וערכנו מחקר ראשוני לבדיקת היתכנות השיטה.
עם העמקת הגלובליזציה הכלכלית, תנועות אוכלוסין בקנה מידה גדול הגבירו מאוד את האפשרות להעברת הנגיף, מה שמסביר היטב מדוע לנגיף הקורונה החדש יכולת כה חזקה להתפשט ברחבי העולם וקשה למניעתו1,2,3. במובן זה, קיים צורך דחוף לפתח חומרים אנטיבקטריאליים חדשים, כגון בדים לא ארוגים מפוליפרופילן (PP), כחומרי הגנה רפואיים. לבדי פוליפרופילן לא ארוגים יש יתרונות של צפיפות נמוכה, אינרטיות כימית ועלות נמוכה4, אך אין להם יכולת אנטיבקטריאלית, חיי שירות קצרים ויעילות הגנה נמוכה. לכן, יש חשיבות רבה להקנות תכונות אנטיבקטריאליות לחומרים לא ארוגים מפוליפרופילן.
כחומר אנטיבקטריאלי עתיק, כסף עבר חמישה שלבי פיתוח: תמיסת כסף קולואידלי, סולפדיאזין כסף, מלח כסף, כסף חלבוני וננו-כסף. ננו-חלקיקי כסף נמצאים בשימוש גובר בתחומים כמו רפואה5,6, מוליכות7,8,9, פיזור ראמאן משופר על פני השטח10,11,12, פירוק קטליטי של צבעים13,14,15,16 וכו'. בפרט, לננו-חלקיקי כסף (AgNPs) יש יתרונות על פני חומרים אנטי-מיקרוביאליים מסורתיים כגון מלחי מתכת, תרכובות אמוניום רבעוניות וטריקלוסן בשל עמידותם החיידקית הנדרשת, יציבותם, עלותם הנמוכה וקבילותם הסביבתית17,18,19. בנוסף, ניתן לחבר ננו-חלקיקי כסף בעלי שטח פנים ספציפי גדול ופעילות אנטיבקטריאלית גבוהה לבדי צמר20, בדי כותנה21,22, בדי פוליאסטר ובדים אחרים כדי להשיג שחרור מבוקר ומתמשך של חלקיקי כסף אנטיבקטריאליים23,24. משמעות הדבר היא שעל ידי עטיפה של AgNPs, ניתן ליצור בדי PP בעלי פעילות אנטיבקטריאלית. עם זאת, לבדים לא ארוגים מ-PP חסרות קבוצות פונקציונליות ובעלי קוטביות נמוכה, דבר שאינו תורם לקפסולה של AgNPs. כדי להתגבר על חיסרון זה, מספר חוקרים ניסו להטמיע חלקיקי ננו-אגוזים על פני השטח של בדי PP באמצעות שיטות שונות, כולל ריסוס פלזמה26,27, השתלת קרינה28,29,30,31 וציפוי פני השטח32. לדוגמה, גולי ועמיתיו [33] הציגו ציפוי חלבון על פני השטח של בד לא ארוג מ-PP, כאשר חומצות האמינו בקצה שכבת החלבון יכולות לשמש כנקודות עיגון לקשירת AgNPs, ובכך להשיג תכונות אנטיבקטריאליות טובות. לי ועמיתיו34 מצאו ש-N-איזופרופילאקרילמיד ו-N-(3-אמינופרופיל)מתאקרילמיד הידרוכלוריד שהורכבו יחד על ידי איכול אולטרה סגול (UV) הציגו פעילות אנטי-מיקרוביאלית חזקה, למרות שתהליך איכול ה-UV מורכב ויכול לפגוע בתכונות המכניות של הסיבים. אוליאני ועמיתיו הכינו סרטי ג'ל Ag NPs-PP עם פעילות אנטיבקטריאלית מצוינת על ידי טיפול מקדים ב-PP טהור בקרינת גמא; עם זאת, גם השיטה שלהם הייתה מורכבת. לכן, נותר אתגר לייצר ביעילות ובקלות בדים לא ארוגים מפוליפרופילן הניתנים למחזור עם הפעילות האנטי-מיקרוביאלית הרצויה.
במחקר זה, פוליוויניל אלכוהול, חומר ממברנה ידידותי לסביבה וזול בעל יכולת יצירת שכבה טובה, הידרופיליות גבוהה ויציבות פיזיקלית וכימית מצוינת, משמש לשינוי בדי פוליפרופילן. גלוקוז משמש כחומר מחזר36. עלייה באנרגיית פני השטח של ה-PP שעבר שינוי מקדמת שקיעת AgNPs סלקטיבית. בהשוואה לבד PP טהור, בד Ag/PVA/PP שהוכן הראה יכולת מיחזור טובה, פעילות אנטיבקטריאלית מצוינת כנגד E. coli, תכונות מכניות טובות גם לאחר 40 מחזורי כביסה, ויכולת נשימה, חדירות לחות ולחות משמעותית.
בד הלא ארוג מ-PP בעל משקל סגולי של 25 גרם/מ"ר ועובי של 0.18 מ"מ סופק על ידי Jiyuan Kang'an Sanitary Materials Co., Ltd. (Jiyuan, סין) ונחתך ליריעה בגודל 5×5 סמ"ר. כסף חנקתי (99.8%; AR) נרכש מחברת Xilong Scientific Co., Ltd. (שנטאו, סין). גלוקוז נרכש מחברת Fuzhou Neptune Fuyao Pharmaceutical Co., Ltd. (פוג'ואו, סין). פוליוויניל אלכוהול (ריאגנט ברמה תעשייתית) נרכש ממפעל הכימיקלים Tianjin Sitong (טיאנג'ין, סין). מים מזוקקים שימשו כממס או כשטיפה והוכנו במעבדה שלנו. אגר מזין וציר נרכשו מחברת Beijing Aoboxing Biotechnology Co., Ltd. (בייג'ינג, סין). זן E. coli (ATCC 25922) נרכש מחברת Zhangzhou Bochuang (ז'אנגג'ואו, סין).
רקמת ה-PP שנוצרה נשטפה באולטרסאונד באתנול במשך 15 דקות. ה-PVA שנוצר הוסיף למים וחומם ב-95 מעלות צלזיוס למשך שעתיים לקבלת תמיסה מימית. לאחר מכן, גלוקוז הומס ב-10 מ"ל של תמיסת PVA עם שבר מסה של 0.1%, 0.5%, 1.0% ו-1.5%. בד הפוליפרופילן הלא ארוג המטוהר הוטבל בתמיסת PVA/גלוקוז וחומם ב-60 מעלות צלזיוס למשך שעה. לאחר השלמת החימום, הבד הלא ארוג הספוג ב-PP הוצא מתמיסת ה-PVA/גלוקוז ויובש ב-60 מעלות צלזיוס למשך 0.5 שעות ליצירת סרט PVA על פני השטח של הרשת, ובכך קבלת טקסטיל מרוכב PVA/PP.
כסף חנקתי מומס ב-10 מ"ל מים תוך ערבוב מתמיד בטמפרטורת החדר ואמוניה מוסיפה טיפות אחר טיפה עד שהתמיסה משתנה משקוף לחום ושוב שקוף, לקבלת תמיסת אמוניה כסופה (5-90 mM). מניחים את הבד הלא ארוג PVA/PP בתמיסת אמוניה כסופה ומחממים אותו ב-60 מעלות צלזיוס למשך שעה אחת ליצירת ננו-חלקיקי כסף באתר על פני הבד, לאחר מכן שטפים אותו במים שלוש פעמים ומייבשים ב-60 מעלות צלזיוס למשך חצי שעה לקבלת בד מרוכב Ag/PVA/PP.
לאחר ניסויים מקדימים, בנינו ציוד גליל-לגליל במעבדה לייצור בקנה מידה גדול של בדים מרוכבים. הגלילים עשויים מ-PTFE כדי למנוע תגובות שליליות וזיהום. במהלך תהליך זה, ניתן לשלוט בזמן ההספגה ובכמות התמיסה הספוגה על ידי התאמת מהירות הגלילים והמרחק בין הגלילים כדי לקבל את בד המרוכב Ag/PVA/PP הרצוי.
מורפולוגיה של פני השטח של הרקמה נחקרה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק VEGA3 (SEM; Japan Electronics, יפן) במתח מאיץ של 5 קילו-וולט. מבנה הגביש של ננו-חלקיקי כסף נותח באמצעות דיפרקציית קרני רנטגן (XRD; Bruker, D8 Advanced, גרמניה; קרינת Cu Kα, λ = 0.15418 ננומטר; מתח: 40 קילו-וולט, זרם: 40 מיליאמפר) בטווח של 10-80°. 2θ. ספקטרומטר אינפרא אדום טרנספורמציית פורייה (ATR-FTIR; Nicolet 170sx, Thermo Fisher Scientific Incorporation) שימש לניתוח המאפיינים הכימיים של בד פוליפרופילן שעבר שינוי פני השטח. תכולת המקדם PVA של בדי Ag/PVA/PP מרוכבים נמדדה באמצעות אנליזה תרמוגרבימטרית (TGA; Mettler Toledo, שוויץ) תחת זרם חנקן. ספקטרומטריית מסות פלזמה מצומדת אינדוקטיבית (ICP-MS, ELAN DRC II, Perkin-Elmer (Hong Kong) Co., Ltd.) שימשה לקביעת תכולת הכסף של בדים מרוכבים Ag/PVA/PP.
חדירות האוויר וקצב מעבר אדי המים של בד מרוכב Ag/PVA/PP (מפרט: 78×50 סמ"ר) נמדדו על ידי סוכנות בדיקה חיצונית (Tianfangbiao Standardization Certification and Testing Co., Ltd.) בהתאם לתקנים GB/T. 5453-1997 ו-GB/T 12704.2-2009. עבור כל דגימה, נבחרו עשר נקודות שונות לבדיקה, והנתונים המסופקים על ידי הסוכנות הם הממוצע של עשר הנקודות.
הפעילות האנטיבקטריאלית של בד מרוכב Ag/PVA/PP נמדדה בהתאם לתקנים הסיניים GB/T 20944.1-2007 ו-GB/T 20944.3- באמצעות שיטת דיפוזיה של צלחת אגר (ניתוח איכותני) ושיטת בקבוקון רועד (ניתוח כמותי) בהתאמה בשנת 2008. הפעילות האנטיבקטריאלית של בד מרוכב Ag/PVA/PP כנגד אשריכיה קולי נקבעה בזמני כביסה שונים. עבור שיטת דיפוזיה של צלחת אגר, בד המרוכב Ag/PVA/PP הנבדק מנוקב לדיסק (קוטר: 8 מ"מ) באמצעות מנוקב ומחובר לצלחת פטרי אגר שהוזרקה באישריכיה קולי (ATCC 25922); 3.4 × 108 CFU מ"ל-1) ולאחר מכן מודגרת ב-37°C ולחות יחסית של 56% למשך כ-24 שעות. אזור העיכוב נותח אנכית ממרכז הדיסק להיקף הפנימי של המושבות הסובבות. בשיטת בקבוקון הניעור, הוכנה צלחת שטוחה בגודל 2 × 2 סמ"ר מהבד המרוכב Ag/PVA/PP שנבדק ועברה באוטוקלאב בסביבת ציר בטמפרטורה של 121 מעלות צלזיוס ו-0.1 מגה פסקל למשך 30 דקות. לאחר האוטוקלאב, הדגימה נטבלה בבקבוק ארלנמאייר של 5 מ"ל המכיל 70 מ"ל של תמיסת תרבית ציר (ריכוז תרחיף 1 × 105–4 × 105 CFU/mL) ולאחר מכן הודגרו בטמפרטורה מתנדנדת של 150 מעלות צלזיוס, סל"ד ו-25 מעלות צלזיוס למשך 18 שעות. לאחר הניעור, אספו כמות מסוימת של תרחיף חיידקים ודוללו אותה פי עשרה. אספו את הכמות הנדרשת של תרחיף חיידקים מדולל, פזרו אותה על מצע אגר ותרבי בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס ולחות יחסית של 56% למשך 24 שעות. הנוסחה לחישוב יעילות אנטיבקטריאלית היא: \(\frac{\mathrm{C}-\mathrm{A}}{\mathrm{C}}\cdot 100\%\), כאשר C ו-A הם מספר המושבות לאחר 24 שעות, בהתאמה. גודל בקבוצת ביקורת וברקמה מרוכבת Ag/PVA/PP.
עמידותם של בדי Ag/PVA/PP מרוכבים הוערכה על ידי כביסה בהתאם לתקן ISO 105-C10:2006.1A. במהלך הכביסה, יש לטבול את בד ה-Ag/PVA/PP מרוכב הנבדק (30x40 מ"מ רבוע) בתמיסה מימית המכילה דטרגנט מסחרי (5.0 גרם/ליטר) ולכבס אותו במהירות של 40±2 סל"ד ובמהירות גבוהה של 40±5 סל"ד/דקה. מעלות צלזיוס 10, 20, 30, 40 ו-50 מחזורים. לאחר הכביסה, הבד נשטף שלוש פעמים במים ומיובש בטמפרטורה של 50-60 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. השינוי בתכולת הכסף לאחר הכביסה נמדד כדי לקבוע את מידת הפעילות האנטיבקטריאלית.
איור 1 מציג תרשים סכמטי של ייצור בד מרוכב Ag/PVA/PP. כלומר, חומר לא ארוג PP טובל בתמיסה מעורבת של PVA וגלוקוז. החומר הלא ארוג הספוג ב-PP מיובש כדי לקבע את המקדם וחומר המחזר ליצירת שכבת איטום. בד הפוליפרופילן הלא ארוג המיובש טובל בתמיסת אמוניה כסופה כדי להצטבר במקום. ריכוז המקדם, היחס המולרי של גלוקוז לאמוניה כסופה, ריכוז אמוניה כסופה וטמפרטורת התגובה משפיעים על שקיעת חלקיקי הכסף. איור 2א' מציג את התלות של זווית המגע עם המים של בד Ag/PVA/PP בריכוז המקדם. כאשר ריכוז המקדם עולה מ-0.5% משקלי ל-1.0% משקלי, זווית המגע של בד Ag/PVA/PP יורדת משמעותית; כאשר ריכוז המקדם עולה מ-1.0% משקלי ל-2.0% משקלי, היא כמעט ולא משתנה. איור 2b מציג תמונות SEM של סיבי PP טהורים ובדי Ag/PVA/PP שהוכנו בריכוז של 50 mM אמוניה כסף וביחסים מולריים שונים של גלוקוז לאמוניה כסף (1:1, 3:1, 5:1 ו-9:1). . תמונה. ). סיב ה-PP המתקבל חלק יחסית. לאחר אנקפסולציה עם סרט PVA, חלק מהסיבים מודבקים יחד; עקב שקיעת ננו-חלקיקי הכסף, הסיבים הופכים מחוספסים יחסית. ככל שהיחס המולרי של חומר המחזר לגלוקוז עולה, שכבת הננו-חלקיקי הכסף שהופקדה מתעבה בהדרגה, וככל שהיחס המולרי עולה ל-5:1 ו-9:1, ננו-חלקיקי כסף נוטים ליצור אגרגטים. תמונות מקרוסקופיות ומיקרוסקופיות של סיבי PP הופכות אחידות יותר, במיוחד כאשר היחס המולרי של חומר המחזר לגלוקוז הוא 5:1. תצלומים דיגיטליים של הדגימות המתאימות שהתקבלו ב-50 mM אמוניה כסף מוצגים באיור S1.
שינויים בזווית המגע עם המים של בד Ag/PVA/PP בריכוזי PVA שונים (א), תמונות SEM של בד Ag/PVA/PP שהתקבלו בריכוז אמוניה כסופה של 50 mM ויחסים מולריים שונים של גלוקוז ואמוניה כסופה [(ב)); (1) סיב PP, (2) סיב PVA/PP, (3) יחס מולרי 1:1, (4) יחס מולרי 3:1, (5) יחס מולרי 5:1, (6) יחס מולרי 9:1], דפוס עקיפת קרני רנטגן (ג) ותמונת SEM (ד) של בד Ag/PVA/PP שהתקבל בריכוזי אמוניה כסופה: (1) 5 mM, (2) 10 mM, (3) 30 mM, (4) 50 mM, (5) 90 mM ו-(6) Ag/PP-30 mM. טמפרטורת התגובה היא 60°C.
באיור 2c, איור 2 מציג את דפוס עקיפת קרני ה-X של בד Ag/PVA/PP שנוצר. בנוסף לשיא הדיפרקציה של סיב PP 37, ארבעה שיאי דיפרקציה ב-2θ = ~ 37.8°, 44.2°, 64.1° ו-77.3° תואמים ל-(1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), מישור גבישי (3 1 1) של ננו-חלקיקי כסף במרכז פאות קוביים. ככל שריכוז אמוניית הכסף עולה מ-5 ל-90 mM, דפוסי ה-XRD של Ag הופכים חדים יותר, בהתאם לעלייה לאחר מכן בגבישות. על פי נוסחת שרר, גודל הגרגירים של ננו-חלקיקי Ag שהוכנו עם 10 mM, 30 mM ו-50 mM אמוניית כסף חושב כ-21.3 ננומטר, 23.3 ננומטר ו-26.5 ננומטר, בהתאמה. הסיבה לכך היא שריכוז אמוניית הכסף הוא הכוח המניע מאחורי תגובת החיזור ליצירת כסף מתכתי. עם עליית ריכוז אמוניית הכסף, קצב ההתגרענות והצמיחה של ננו-חלקיקי כסף עולים. איור 2d מציג תמונות SEM של בדי Ag/PVA/PP שהתקבלו בריכוזים שונים של אמוניית כסף. בריכוז אמוניית כסף של 30 mM, שכבת הננו-חלקיקי הכסף המופקדת היא הומוגנית יחסית. עם זאת, כאשר ריכוז אמוניית הכסף גבוה מדי, אחידות שכבת השיקוע של ננו-חלקיקי כסף נוטה לרדת, דבר שעשוי להיות בגלל אגלומרציה חזקה בשכבת השיקוע של ננו-חלקיקי כסף. בנוסף, לננו-חלקיקי כסף על פני השטח יש שתי צורות: כדוריות וקשקשיות. גודל החלקיקים הכדוריים הוא כ-20-80 ננומטר, וגודל הלטרלי הלמלרי הוא כ-100-300 ננומטר (איור S2). שכבת השיקוע של ננו-חלקיקי כסף על פני השטח של בד PP שלא עבר שינוי אינה אחידה. בנוסף, העלאת הטמפרטורה מקדמת את החיזור של ננו-חלקיקי כסף (איור S3), אך טמפרטורת תגובה גבוהה מדי אינה מקדמת את השיקוע הסלקטיבי של ננו-חלקיקי כסף.
איור 3א' מתאר באופן סכמטי את הקשר בין ריכוז אמוניית הכסף, כמות הכסף ששאבנו והפעילות האנטיבקטריאלית של בד Ag/PVA/PP שהוכן. איור 3ב' מציג את הדפוסים האנטיבקטריאליים של הדגימות בריכוזים שונים של אמוניית כסף, שיכולים לשקף ישירות את המצב האנטיבקטריאלי של הדגימות. כאשר ריכוז אמוניית הכסף עלה מ-5 mM ל-90 mM, כמות משקעי הכסף עלתה מ-13.67 גרם/ק"ג ל-481.81 גרם/ק"ג. בנוסף, ככל שכמות שקיעת הכסף עולה, הפעילות האנטיבקטריאלית כנגד E. coli עולה בתחילה ולאחר מכן נשארת ברמה גבוהה. באופן ספציפי, כאשר ריכוז אמוניית הכסף הוא 30 mM, כמות שקיעת הכסף בבד Ag/PVA/PP שנוצר היא 67.62 גרם/ק"ג, ושיעור האנטיבקטריאלי הוא 99.99%. יש לבחור דגימה זו כנציגת לאפיון מבני לאחר מכן.
(א) הקשר בין רמת הפעילות האנטיבקטריאלית לבין כמות שכבת ה-Ag המיושמת וריכוז אמוניית הכסף; (ב) תצלומים של פלטות תרבית חיידקים שצולמו במצלמה דיגיטלית המציגות דגימות ריקות ודגימות שהוכנו באמצעות 5 mM, 10 mM, 30 mM, 50 mM ו-90 mM אמוניית כסף. פעילות אנטיבקטריאלית של בד Ag/PVA/PP נגד אשריכיה קולי
איור 4א' מציג את ספקטרום ה-FTIR/ATR של PP, PVA/PP, Ag/PP ו-Ag/PVA/PP. פסי הקליטה של ​​סיבי PP טהורים ב-2950 ס"מ-1 ו-2916 ס"מ-1 נובעים מרעידות מתיחה אסימטריות של קבוצות –CH3 ו-–CH2-, וב-2867 ס"מ-1 ו-2837 ס"מ-1 הם נובעים מרעידות מתיחה סימטריות של קבוצות –CH3 ו-–CH2-, –CH3 ו-–CH2-. פסי הקליטה ב-1375 ס"מ-1 ו-1456 ס"מ-1 מיוחסים לרעידות הזזה אסימטריות וסימטריות של –CH338.39. ספקטרום ה-FTIR של סיבי Ag/PP דומה לזה של סיבי PP. בנוסף לפס הקליטה של ​​PP, שיא הקליטה החדש ב-3360 ס"מ-1 של בדי PVA/PP ו-Ag/PVA/PP מיוחס למתיחה של קשר המימן של קבוצת –OH. זה מראה ש-PVA מיושם בהצלחה על פני השטח של סיבי פוליפרופילן. בנוסף, שיא ספיגת ההידרוקסיל של בד Ag/PVA/PP חלש מעט מזה של בד PVA/PP, דבר שעשוי להיות נובע מקואורדינציה של כמה קבוצות הידרוקסיל עם כסף.
ספקטרום FT-IR (א), עקומת TGA (ב) וספקטרום מדידה XPS (ג) של PP טהור, בד PVA/PP ובד Ag/PVA/PP, וספקטרום C1s של PP טהור (ד), בד PVA/PP PP (ה) ושיא תלת-ממדי Ag (ו) של בד Ag/PVA/PP.
באיור 4c, איור 4c מציג את ספקטרום ה-XPS של בדי PP, PVA/PP ו-Ag/PVA/PP. אות ה-O1s החלש של סיבי פוליפרופילן טהור ניתן לייחס ליסוד החמצן הנספח על פני השטח; שיא ה-C1s ב-284.6 eV מיוחס ל-CH4 ו-CC (ראה איור 4d). בהשוואה לסיבי PP טהורים, בד PVA/PP (איור 4e) מציג ביצועים גבוהים ב-284.6 eV (C–C/C–H), 285.6 eV (C–O–H), 284.6 eV (C–C/C–H), 285.6 eV (C–O–H) ו-288.5 eV (H–C=O)38. בנוסף, ניתן לקרב את ספקטרום ה-O1s של בד PVA/PP באמצעות שני שיאים ב-532.3 eV ו-533.2 eV41 (איור S4), שיאי C1s אלו תואמים ל-C–OH ו-H–C=O (קבוצות הידרוקסיל של PVA וקבוצת גלוקוז אלדהיד), דבר התואם את נתוני ה-FTIR. בד הלא ארוג Ag/PVA/PP שומר על ספקטרום ה-O1s של C-OH (532.3 eV) ו-HC=O (533.2 eV) (איור S5), המורכב מ-65.81% (אחוז אטומי) C, 22.89% O ו-11.31% Ag (איור S4). בפרט, שיאי Ag3d5/2 ו-Ag3d3/2 ב-368.2 eV ו-374.2 eV (איור 4f) מוכיחים עוד יותר כי ננו-חלקיקי Ag מסוממים על פני השטח של בד לא ארוג PVA/PP42.
עקומות ה-TGA (איור 4ב') של PP טהור, בד Ag/PP ובד Ag/PVA/PP מראות שהן עוברות תהליכי פירוק תרמי דומים, ושקיעת חלקיקי ננו-חלקיקי Ag מובילה לעלייה קלה בטמפרטורת הפירוק התרמי של סיבי PP. סיבי PVA/PP (מ-480 מעלות צלזיוס (סיבי PP) ל-495 מעלות צלזיוס), ככל הנראה עקב היווצרות מחסום Ag43. במקביל, הכמויות הנותרות של דגימות טהורות של PP, Ag/PP, Ag/PVA/PP, Ag/PVA/PP-W50 ו-Ag/PP-W50 לאחר חימום ב-800 מעלות צלזיוס היו 1.32%, 16.26% ו-13.86% בהתאמה, 9.88% ו-2.12% (הסיומת W50 כאן מתייחסת ל-50 מחזורי כביסה). יתרת ה-PP הטהור מיוחסת לזיהומים, ושאר הדגימות הנותרות לננו-חלקיקי כסף, וההבדל בכמות השארית של הדגימות העמוסות בכסף אמור לנבוע מכמויות שונות של ננו-חלקיקי כסף שהועמסו עליהן. בנוסף, לאחר שטיפת בד Ag/PP 50 פעמים, תכולת הכסף השיורית פחתה ב-94.65%, ותכולת הכסף השיורית של בד Ag/PVA/PP פחתה בכ-31.74%. ממצא זה מראה שציפוי עוטף PVA יכול לשפר ביעילות את הידבקות ננו-חלקיקי כסף למטריצת ה-PP.
כדי להעריך את נוחות הלבישה, נמדדו חדירות האוויר וקצב מעבר אדי המים של בד הפוליפרופילן שהוכן. באופן כללי, יכולת הנשימה קשורה לנוחות התרמית של המשתמש, במיוחד בסביבות חמות ולחות44. כפי שמוצג באיור 5a, חדירות האוויר של PP טהור היא 2050 מ"מ/שנייה, ולאחר שינוי ה-PVA היא יורדת ל-856 מ"מ/שנייה. הסיבה לכך היא שסרט ה-PVA שנוצר על פני סיבי ה-PP והחלק הארוג מסייע בהפחתת הפערים בין הסיבים. לאחר מריחת ננו-חלקי פוליפרופילן Ag, חדירות האוויר של בד ה-PP עולה עקב צריכת ציפוי PVA בעת מריחת ננו-חלקי פוליפרופילן Ag. בנוסף, יכולת הנשימה של בדי Ag/PVA/PP נוטה לרדת ככל שריכוז אמוניית הכסף עולה מ-10 ל-50 מילימול. ייתכן שזה נובע מהעובדה שעובי משקע הכסף עולה עם עליית ריכוז אמוניית הכסף, מה שעוזר להפחית את מספר הנקבוביות ואת הסבירות שאדי מים יעברו דרכן.
(א) חדירות אוויר של בדי Ag/PVA/PP שהוכנו עם ריכוזים שונים של אמוניה כסופה; (ב) העברת אדי מים של בדי Ag/PVA/PP שהוכנו עם ריכוזים שונים של אמוניה כסופה; (ג) מגוון מכפילי חומרים עקומת מתיחה של בד Ag/PVA/PP שהתקבל בריכוזים שונים; (ד) עקומת מתיחה של בד Ag/PVA/PP שהתקבל בריכוזים שונים של אמוניה כסופה (מוצגת גם בד Ag/PVA/PP שהתקבל בריכוז אמוניה כסופה של 30 mM) (השווה את עקומות המתיחה של בדי PP לאחר 40 מחזורי כביסה).
קצב מעבר אדי המים הוא אינדיקטור חשוב נוסף לנוחות התרמית של בד45. מתברר שחדירות הלחות של בדים מושפעת בעיקר מהנשימה ומתכונות פני השטח. כלומר, חדירות האוויר תלויה בעיקר במספר הנקבוביות; תכונות פני השטח משפיעות על חדירות הלחות של קבוצות הידרופיליות באמצעות ספיחה-דיפוזיה-ספיחה של מולקולות מים. כפי שמוצג באיור 5b, חדירות הלחות של סיב PP טהור היא 4810 גרם/(מ"ר·24 שעות). לאחר איטום בציפוי PVA, מספר החורים בסיב ה-PP פוחת, אך חדירות הלחות של בד PVA/PP עולה ל-5070 גרם/(מ"ר·24 שעות), מכיוון שחדירות הלחות שלו נקבעת בעיקר על ידי תכונות פני השטח ולא על ידי הנקבוביות. לאחר שקיעת AgNPs, חדירות הלחות של בד Ag/PVA/PP גדלה עוד יותר. בפרט, חדירות הלחות המקסימלית של בד Ag/PVA/PP המתקבלת בריכוז אמוניה כסופה של 30 mM היא 10300 גרם/(מ"ר·24 שעות). במקביל, חדירות לחות שונה של בדי Ag/PVA/PP המתקבלים בריכוזים שונים של אמוניה כסופה עשויה להיות קשורה להבדלים בעובי שכבת שקיעת הכסף ובמספר הנקבוביות שלה.
התכונות המכניות של בדים משפיעות רבות על חיי השירות שלהם, במיוחד כחומרים הניתנים למחזור46. איור 5c מציג את עקומת מאמץ המתיחה של בד Ag/PVA/PP. חוזק המתיחה של PP טהור הוא רק 2.23 MPa, בעוד שחוזק המתיחה של בד PVA/PP עם 1 wt% גדל משמעותית ל-4.56 MPa, דבר המצביע על כך שהעטיפה של בד PVA PP מסייעת בשיפור משמעותי של התכונות המכניות שלו. חוזק המתיחה וההתארכות בשבירה של בד PVA/PP עולים עם העלייה בריכוז של חומר שינוי PVA מכיוון שסרט ה-PVA יכול לשבור את המאמץ ולחזק את סיבי ה-PP. עם זאת, כאשר ריכוז חומר השינוי עולה ל-1.5 wt%, PVA דביק הופך את בד הפוליפרופילן לנוקשה, דבר המשפיע קשות על נוחות הלבישה.
בהשוואה לבדי PP טהורים ו-PVA/PP, חוזק המתיחה וההתארכות בזמן שבירה של בדי Ag/PVA/PP משופרים עוד יותר מכיוון שחלקיקי ננו-חלקיקי Ag המפוזרים באופן אחיד על פני סיבי ה-PP יכולים לפזר את העומס 47,48. ניתן לראות שחוזק המתיחה של סיבי Ag/PP גבוה מזה של PP טהור, ומגיע ל-3.36 MPa (איור 5d), דבר המאשר את ההשפעה החזקה והמחזקת של ננו-חלקיקי Ag. בפרט, בד Ag/PVA/PP המיוצר בריכוז אמוניה כסופה של 30 mM (במקום 50 mM) מציג חוזק מתיחה והתארכות מקסימליים בזמן שבירה, שעדיין נובעים מהשקיעה האחידה של ננו-חלקיקי Ag וכן מהשקיעה האחידה. צבירה של ננו-חלקיקי כסף בתנאים של ריכוז גבוה של אמוניה כסופה. בנוסף, לאחר 40 מחזורי כביסה, חוזק המתיחה וההתארכות בשבירה של בד Ag/PVA/PP שהוכן בריכוז אמוניה כסף של 30 mM ירדו ב-32.7% ו-26.8%, בהתאמה (איור 5d), דבר שעשוי להיות קשור לאובדן קטן של ננו-חלקיקי כסף שהופקדו לאחר מכן.
איורים 6א' ו-6ב' מציגים תצלומי מצלמה דיגיטלית של בד Ag/PVA/PP ובד Ag/PP לאחר כביסה במשך 0, 10, 20, 30, 40 ו-50 מחזורים בריכוז אמוניה כסופה של 30 mM. בד Ag/PVA/PP אפור כהה ובד Ag/PP הופכים בהדרגה לאפור בהיר לאחר כביסה; ושינוי הצבע של הראשון במהלך הכביסה אינו נראה חמור כמו זה של השני. בנוסף, בהשוואה לבד Ag/PP, תכולת הכסף של בד Ag/PVA/PP ירדה לאט יחסית לאחר כביסה; לאחר כביסה 20 פעמים או יותר, הראשון שמר על תכולת כסף גבוהה יותר מאשר השני (איור 6ג'). זה מצביע על כך שעטיפת סיבי PP בציפוי PVA יכולה לשפר משמעותית את הידבקות של ננו-חלקיקי Ag לסיבים של PP. איור 6ד' מציג את תמונות ה-SEM של בד Ag/PVA/PP ובד Ag/PP לאחר כביסה במשך 10, 40 ו-50 מחזורים. בדי Ag/PVA/PP חווים פחות אובדן של ננו-חלקיקי Ag במהלך כביסה בהשוואה לבדי Ag/PP, שוב משום שציפוי ה-PVA עוטף את החומר הפחמן (PVA) מסייע בשיפור ההידבקות של ננו-חלקיקי Ag לסיבים של PP.
(א) תצלומים של בד Ag/PP שצולמו במצלמה דיגיטלית (שצולמו בריכוז אמוניה כסף של 30 mM) לאחר כביסה במשך 0, 10, 20, 30, 40 ו-50 מחזורים (1-6); (ב) תצלומי Ag/PVA/PP של בדים שצולמו במצלמה דיגיטלית (שצולמו בריכוז אמוניה כסף של 30 mM) לאחר כביסה במשך 0, 10, 20, 30, 40 ו-50 מחזורים (1-6); (ג) שינויים בתכולת הכסף של שני הבדים לאורך מחזורי כביסה; (ד) תמונות SEM של בד Ag/PVA/PP (1-3) ובד Ag/PP (4-6) לאחר 10, 40 ו-50 מחזורי כביסה.
איור 7 מציג את הפעילות האנטיבקטריאלית וצילומי מצלמה דיגיטלית של בדי Ag/PVA/PP כנגד E. coli לאחר 10, 20, 30 ו-40 מחזורי כביסה. לאחר 10 ו-20 כביסות, הביצועים האנטיבקטריאליים של בדי Ag/PVA/PP נותרו על 99.99% ו-99.93%, דבר המדגים פעילות אנטיבקטריאלית מצוינת. רמת האנטיבקטריאלית של בד Ag/PVA/PP ירדה מעט לאחר 30 ו-40 כביסה, כתוצאה מאובדן AgNPs לאחר כביסה ממושכת. עם זאת, שיעור האנטיבקטריאלי של בד Ag/PP לאחר 40 כביסות הוא רק 80.16%. ברור שההשפעה האנטיבקטריאלית של בד Ag/PP לאחר 40 מחזורי כביסה נמוכה בהרבה מזו של בד Ag/PVA/PP.
(א) רמת פעילות אנטיבקטריאלית כנגד אי קולי. (ב) לשם השוואה, מוצגות גם תמונות של בד Ag/PVA/PP שצולמו במצלמה דיגיטלית לאחר שטיפת בד Ag/PP בריכוז אמוניה כסופה של 30 mM במשך 10, 20, 30, 40 ו-40 מחזורים.
באיור 8, איור 8 מציג באופן סכמטי את ייצור בד Ag/PVA/PP בקנה מידה גדול באמצעות מסלול דו-שלבי של גליל לגליל. כלומר, תמיסת ה-PVA/גלוקוז הושרה במסגרת הגליל למשך פרק זמן מסוים, לאחר מכן הוצאה החוצה, ולאחר מכן הוספגה בתמיסת אמוניה כסופה באותו אופן כדי לקבל את בד Ag/PVA/PP (איור 8א). בד ה-Ag/PVA/PP שנוצר עדיין שומר על פעילות אנטיבקטריאלית מצוינת גם אם נותר למשך שנה אחת. להכנה בקנה מידה גדול של בדי Ag/PVA/PP, הבדים הלא ארוגים מ-PP שהתקבלו הושרו בתהליך גליל רציף ולאחר מכן עברו דרך תמיסת PVA/גלוקוז ותמיסת אמוניה כסופה ברצף ועובדו. שתי שיטות. סרטונים מצורפים. זמן ההספגה נשלט על ידי התאמת מהירות הגליל, וכמות התמיסה הספיחה נשלטת על ידי התאמת המרחק בין הגלילים (איור 8ב), ובכך מתקבל בד הלא ארוג Ag/PVA/PP בגודל גדול (50 ס"מ × 80 ס"מ) וגליל האיסוף. התהליך כולו פשוט ויעיל, מה שתורם לייצור בקנה מידה גדול.
תרשים סכמטי של ייצור מוצרי יעד גדולים (א) ותרשים סכמטי של תהליך הגלגול לייצור חומרים לא ארוגים מ-Ag/PVA/PP (ב).
בדים לא ארוגים מ-PVA/PP המכילים כסף מיוצרים באמצעות טכנולוגיית שקיעת פאזה נוזלית פשוטה באתר בשילוב עם תהליך גליל-לגליל. בהשוואה לבד PP ובד PVA/PP, התכונות המכניות של הבד הלא ארוג מ-Ag/PVA/PP שהוכן משתפרות משמעותית מכיוון ששכבת האיטום של PVA יכולה לשפר משמעותית את הידבקות הננו-חלקיקי Ag לסיבים מ-PP. בנוסף, ניתן לשלוט היטב בכמות ה-PVA ובתכולת הננו-חלקיקי הכסף בבד הלא ארוג מ-Ag/PVA/PP על ידי התאמת ריכוזי תמיסת PVA/גלוקוז ותמיסת אמוניה כסופה. בפרט, בד לא ארוג מ-Ag/PVA/PP שהוכן באמצעות תמיסת אמוניה כסופה של 30 mM הראה את התכונות המכניות הטובות ביותר ושמר על פעילות אנטיבקטריאלית מצוינת כנגד E. coli גם לאחר 40 מחזורי כביסה, והראה פוטנציאל טוב למניעת עכירות. חומר לא ארוג מ-PP. בהשוואה לנתוני ספרות אחרים, הבדים שהתקבלו באמצעות שיטות פשוטות יותר הראו עמידות טובה יותר לכביסה. בנוסף, לבד הלא ארוג מ-Ag/PVA/PP שנוצר יש חדירות לחות ונוחות לבישה אידיאליים, מה שיכול להקל על יישומו ביישומים תעשייתיים.
יש לכלול את כל הנתונים שהתקבלו או נותחו במהלך מחקר זה (ואת קבצי המידע התומכים בהם).
ראסל, SM ואחרים. ביוסנסורים למאבק בסערת הציטוקינים של COVID-19: אתגרים לפנינו. ACS Sens. 5, 1506–1513 (2020).
Zaeem S, Chong JH, Shankaranarayanan V and Harkey A. COVID-19 ותגובות מרובות איברים. שאלה נוכחית. לב. 45, 100618 (2020).
ג'אנג ר' ואחרים. הערכות מספר מקרי נגיף הקורונה בשנת 2019 בסין מותאמות לפי שלב ואזורים אנדמיים. חזית. רפואה. 14, 199–209 (2020).
גאו ג'. ואחרים. חומר מרוכב מפוליפרופילן לא ארוג, גמיש, סופר-הידרופובי ומוליך מאוד, להגנה מפני הפרעות אלקטרומגנטיות. מהנדס כימי. ג'. 364, 493–502 (2019).
Raihan M. et al. פיתוח סרטי ננו-קומפוזיט רב-תכליתיים מפוליאקרילוניטריל/כסף: פעילות אנטיבקטריאלית, פעילות קטליטית, מוליכות, הגנה מפני קרינת UV וחיישני SERS פעילים. J. Matt. resource. technologies. 9, 9380–9394 (2020).
Dawadi S, Katuwal S, Gupta A, Lamichane U and Parajuli N. מחקר עדכני על ננו-חלקיקי כסף: סינתזה, אפיון ויישומים. J. Nanomaterials. 2021, 6687290 (2021).
דנג דה, צ'ן ג'י, הו יונג, מא ג'יאן, טונג YDN תהליך פשוט להכנת דיו מוליך על בסיס כסף ומריחתו על משטחים סלקטיביים לתדר. ננוטכנולוגיה 31, 105705–105705 (2019).
Hao, Y. et al. פולימרים היפר-מסועפים מאפשרים שימוש בננו-חלקיקי כסף כמייצבים להדפסת הזרקת דיו של מעגלים גמישים. R. Shuker. Chemical. 43, 2797–2803 (2019).
Keller P ו-Kawasaki HJML רשתות ורידי עלים מוליכים המיוצרות על ידי הרכבה עצמית של ננו-חלקיקי כסף עבור יישומים פוטנציאליים בחיישנים גמישים. Matt. Wright. 284, 128937.1-128937.4 (2020).
Li, J. et al. ננו-כדורים ומערכים של סיליקה מעוטרים בננו-חלקיקי כסף כמצעים פוטנציאליים לפיזור ראמאן משופר על פני השטח. ASU Omega 6, 32879–32887 (2021).
Liu, X. et al. חיישן פיזור ראמאן משופר משטחי גמיש בקנה מידה גדול (SERS) עם יציבות אות ואחידות גבוהות. ACS Application Matt. Interfaces 12, 45332–45341 (2020).
סאנדיפ, ק"ג ואחרים. מבנה הטרופוליני היררכי של ננו-מוטות פולרן מעוטרים בננו-חלקיקי כסף (Ag-FNRs) משמש כמצע SERS יעיל בלתי תלוי בחלקיק בודד. פיזיקה. כימיה. כימית. פיזיקה. 27, 18873–18878 (2018).
אמאם, ה.ה. ואחמד, ה.ב. מחקר השוואתי של ננו-מבנים מבוססי אגר הומו-מתכתיים והטרו-מתכתיים במהלך פירוק מזורז צבע. בינלאומי. J. Biol. מולקולות גדולות. 138, 450–461 (2019).
Emam, HE, Mikhail, MM, El-Sherbiny, S., Nagy, KS and Ahmed, HB ננו-קטליזה תלוית מתכת להפחתת מזהמים ארומטיים. יום רביעי. המדע. לזהם. משאב. בינלאומיות. 27, 6459–6475 (2020).
ננו-מבנים בעלי קליפה משולשת ליבה (Ag-Au-Pd) שגודלו מזרעים בטמפרטורת החדר לצורך טיהור מים פוטנציאלי. פולימר. מבחן. 89, 106720 (2020).