Nanopartículas Base CeO2 con Propiedades Antibacterianas y de Protección UV Inmovilizadas en Sustratos Orgánicos

Abstract

Las nanopartículas (NPs) base CeO2 han demostrado poseer actividad antibacteriana y de protección UV. Esto las hace adecuadas para implementarse como agente antimicrobiano y bloqueador UV. Una de sus desventajas es que se presentan generalmente en forma de polvos, lo que dificulta aplicarlas para evitar el crecimiento de bacterias en alimentos o como fotoprotector. Por lo tanto, en este trabajo de investigación se propuso inmovilizarlas en sustratos de quitosano y algodón, para obtener dos materiales funcionales con aplicaciones antimicrobianas y de foto protección, que conservaran sus propiedades en el tiempo y liberaran al medio ambiente la menor cantidad posible de NPs. Para ello, primero se analizó la cantidad adecuada de impurezas (Ag, Cu) en el CeO2 necesarias para obtener NPs antibacterianas. El proceso de síntesis se realizó por el método de precipitación a partir de nitrato de cerio hexahidratado, con 1 %, 3 % y 5 % de sales precursoras de nitratos de plata (Ag) y cobre (Cu). Los resultados de caracterización por difracción de rayos X mostraron que a mayor cantidad de impurezas las NPs fueron más pequeñas (~6.5 nm), pero hubo más aglomeración. Además, se observó por técnicas de microscopía que la Ag se depositó como una segunda fase, formando NPs de ~30 nm; por su parte, el Cu se disolvió en la red cristalina del CeO2. La evaluación antibacteriana evidenció que 5 % de Ag fue la cantidad óptima para inhibir el crecimiento de P. aeruginosa y S. aureus (99 % de reducción). Asimismo, el Cu presentó menor actividad (entre 48 % y 57 % de reducción bacteriana). Con base en estos resultados, se utilizaron las NPs con 5 % de impurezas para inmovilizarlas en quitosano. Para preparar los sustratos se utilizó el método de molde, variando la técnica de dispersar las NPs. La primera técnica se denominó MU, en la cual las NPs se mezclaron con una solución de quitosano. La segunda técnica fue el método MH, en el que primero se dispersaron las NPs en el molde y después se agregó la solución de quitosano. En ambos métodos, se realizó un proceso de secado para obtener los sustratos en forma de película. Posteriormente, se analizaron sus propiedades mecánicas y se determinó que el método MU formó películas más resistentes a la tracción (entre 21 MPa y 48 MPa) que el MH (entre 7 MPa y 15 MPa). Por técnicas de microscopía se observó que las NPs se distribuyeron de manera homogénea en las películas MU; mientras que en las MH se encapsularon y depositaron en zonas aisladas, lo que les dio más rugosidad (~3 nm) y espesor variable (entre 10 µm y 30 µm). En el espectro FTIR se observaron corrimientos en la posición de las bandas de los grupos -OH y -NH, lo que sugirió la interacción química entre estas especies y las NPs. Esta interacción propició que se liberaran menor cantidad de elementos metálicos de las NPs inmovilizadas en quitosano que de los polvos. La evaluación antibacteriana mostró que la actividad de las NPs con impureza de Ag se mantuvo (> 99 %). Por su parte, las de impureza de Cu aumentaron su capacidad de inhibición al inmovilizarse en los sustratos (> 90 %). Finalmente, se inmovilizaron in situ NPs de CeO2 en telas de algodón, por el método de agotamiento. Se utilizaron diferentes cantidades de la sal precursora de cerio (1-5 %), para estudiar su efecto sobre la capacidad de protección UV (UPF). Los resultados de los difractogramas de rayos X revelaron que el método de agotamiento fue adecuado para sintetizar in situ NPs cristalinas de CeO2 de tamaño ~3-6 nm. Por microscopía electrónica de barrido se observó que las NPs tendieron a aglomerarse conforme aumentó la cantidad de nitrato de cerio agregado en el proceso de inmovilización. En los espectros de XPS se observaron cambios en las energías de enlace del C1s y el O1s. Por lo tanto, se infirió que existió una interacción química entre los grupos OH de la celulosa y las NPs. Además, los valores de UPF calculados mostraron que las telas ofrecen excelente protección UV (UPF = 50+), incluso con 1 % de sal precursora de cerio. Además, se evaluó la tendencia de las NPs a desprenderse con los ciclos de lavado y se encontró que después de 50 ciclos las telas conservaron más del 50 % de las NPs, y la protección UV siguió siendo excelente. A partir de estos resultados, se concluyó que inmovilizar NPs base CeO2 en sustratos de quitosano y algodón permite aplicarlas de manera práctica para aprovechar su capacidad antibacteriana y fotoprotectora. Conservando sus propiedades en el tiempo y reduciendo la cantidad de elementos liberados al medio ambiente