SUPERVISOR
Akram Zamani foroshani,Mahmood Masoomi
اکرم زمانی فروشانی (استاد مشاور) محمود معصومی (استاد راهنما)
STUDENT
Ghazaleh Ghayomi
غزاله قیومی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Preparation and Characterization of Antibacterial Chitosan Grafted Poly(ethylene terephthalate) Films
Today the concept of antimicrobial coating has received great attention because of its potential to enhance safety. Poly(ethylene terephthlate) is often used as a coating due to its excellent properties. It is a light-weight thermoplastic polymer with a good impact resistance and outstanding processability. One of the methods that can be used for the improvement of the antibacterial properties of PET is chitosan immobilization. Chitosan is a natural biocompatible polysaccharide. The interaction between positively charged chitosan molecules on the amino groups and negatively charged microbial cell membranes leads to the leakage of intracellular constituents. The chemical structure of PET with very few available polar groups on the surface makes immobilization of chitosan difficult; so surface modification of this polymer is often required. In this research, we used chitosan grafting to make antibacterial PET films and two methods of carboxylation and partial basic hydrolysis were employed to modify films and introduce carboxyl groups which are negatively charged. Then two different molecular weights of chitosan were immobilized on the films through the reactions between the amino groups of chitosan and the carboxyl groups of the films. The presence of carboxyl groups on the treated films and the amino groups of the chitosan was identified using ATR-FTIR. The production of carboxyl groups on the hydrolyzed, carboxylated and native PET surface was determined titrimetrically by a TBO method and a calibration curve. Water contact angle studies were conducted to characterize the hydrophobicity of surfaces. Tensile and Water vapor transmission tests were employed to determine the mechanical behaviour changes of modified films and unmodified ones. Then antibacterial activity against gram-negative and gram-positive bacteria of all the prepared films was tested. FTIR and TBO tests showed that carboxyl groups were produced on the surfaces of both modified PET films. By comparing the amounts of carboxyl groups, it was found that with hydrolysis and carboxylation, the number of carboxyl groups became respectively, four and three times larger than untreated polyester; so with hydrolysis, more amounts of carboxyl groups were created on the surface. Water vapor permeability test showed that permeability values were increased in the hydrolyzed surface. The results of tensile test confirmed that loss of strength in the hydrolyzed PET was lower than the carboxylated one. With water contact angle tests, it was shown that carboxylation and hydrolysis significantly improved the hydrophilicity. Water contact angle for the chitosan grafted films were lower than the films before grafting. The results of FTIR tests showed that chitosan was effectively immobilized on the films. Antibacterial tests confirmed that the reduction percentage in bacterial count number after 24h for Staphylococcus aureus was up to 92.31% and for Escherichia coli , up to 88.35%. Films with low molecular weight chitosan showed more antibacterial activity against Escherichia coli and films with high molecular weight chitosan showed more activity against Staphylococcus aureus . Also it was shown that for both kinds of bacteria, hydrolyzed modification was more effective because pretreated films with this method had a larger amount of carboxyl groups. Total results confirmed that with hydrolysis, more chitosan grafting, antibacterial activity and also better mechanical strength could be obtained. Keywords antimicrobial coating, chitosan, pretreatment of PET, carboxylation, antibacterial activity
پلی اتیلن ترفتالات (PET) از جمله پلیمرهایی است که در تولید پوششهای ضدمیکروبی کاربرد دارد. این پلیمر خطی بوده و در برابر حلالها مقاوم میباشد. خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه مانند استحکام مکانیکی بالا، شفافیت، وزن سبک وچقرمگی خوب کاربرد این پلیمر را افزایش داده است. یکی از روشهای ایجاد خاصیت ضد باکتری در محصولات پلی اتیلن ترفتالات تثبیت کیتوزان بر سطح این پلیمر میباشد. کیتوزان پلی ساکاریدی غیر سمی و زیست سازگار بوده که دارای خواص ضد میکروبی است. تثبیت عامل ضد باکتری با استفاده از پیوندهای کووالانسی بر سطح پلیمر هنگامی ممکن است که هم پلیمر و هم عامل ضد باکتری گروههای عاملی واکنش دهنده با یکدیگر را دارا باشند. ساختار شیمیایی PET با تعداد گروههای واکنش دهنده کم روی سطح، تثبیت کیتوزان را دشوار مینماید بنابراین اصلاح سطح این پلیمر به منظور ایجاد گروههای فعال شیمیایی در سطح لازم میباشد. پس از انجام اصلاح، گروههای عاملی ویژهای تولید میشود که میتواند با مولکولهای دیگر که دارای فعالیت ضد میکروبی هستند پیوند برقرار نماید. در این پروژه از دو روش کربوکسیلدار کردن و هیدرولیز بازی سطح به منظور اصلاح فیلمهای PET برای تولید گروههای کربوکسیل که دارای بار منفی هستند استفاده شده است. پس از این کیتوزان به وسیله واکنش بین گروههای آمینی موجود در آن و گروههای کربوکسیل ایجاد شده بر روی سطح فیلمهای PET تثبیت گردید. به کمک آزمون FTIR ایجاد گروههای کربوکسیل در اثر اصلاح نمودن سطح و نیز پیوند خوردن کیتوزان بررسی شد. غلظت گروههای ایجاد شده در سطح فیلمهای PET با روش TBO، اندازهگیری گردید. با استفاده از اندازهگیری زاویه تماس آب، تغییر میزان قطبیت سطوح تعیین شد. به منظور تخمین میزان تخریب احتمالی به وجود آمده بر روی سطوح پس از اصلاح شدن، آزمونهای کشش و اندازهگیری میزان نفوذ بخار آب از فیلمها انجام گرفت. در ادامه خاصیت ضد باکتریایی فیلمها در برابر دو نوع باکتری اشرشیاکلی و استافیلوکوکوس اورئوس توسط آزمون کشت باکتری بررسی گردید. آزمون FTIR نشان داد که گروههای کربوکسیل بر روی سطح ایجاد شده و کیتوزان با آنها پیوند خورده است. اندازهگیری غلظت گروههای کربوکسیل نشان داد که مقدار این گروهها پس از انجام هیدرولیز بیشتر از زمانی است که سطح توسط روش کربوکسیلدار کردن اصلاح گردد. بنابر نتایج آزمون کشش، تغییر خواص کششی در نمونه هیدرولیز شده کمتر از نمونه کربوکسیلدار شده بود. همچنین، نمونه فیلمهای پیوند خورده با کیتوزان که با روش هیدرولیز فعال شدند در برابر هر دو نوع باکتری اشرشیاکلی و استافیلوکوکوس اورئوس خاصیت ضد باکتریایی قویتری نشان دادند. علاوه بر این، نتایج نشان داد که در برابر باکتری اشرشیا کلی هرچه جرم مولکولی کیتوزان به کار رفته در نمونهها کمتر باشد درصد کاهش باکتریها بیشتر است در حالی که در مورد باکتری استافیلوکوکوس اورئوس ، هرچه جرم مولکولی کیتوزان بیشتر باشد اثر ضد باکتریایی فیلم افزایش مییابد و نیز به طور کلی اثر ضد باکتریایی کیتوزان در برابر باکتری استافیلوکوکوس اورئوس بیشتر از اشرشیاکلی است. به طور کلی میتوان بیان نمود که اصلاح شیمیایی سطح فیلم PET با استفاده از روش هیدرولیز، در عین حال که تخریب کمتری در فیلم تولید میکند، باعث ایجاد گروههای کربوکسیل بیشتری بر سطح آن شده و در نتیجه کیتوزان بیشتری روی سطح پیوند میخورد و خاصیت ضد باکتریایی قویتر میگردد، بنابر این روش مذکور مؤثرتر از روش کربوکسیلدار کردن است. کلمات کلیدی خاصیت ضد باکتری، اصلاح فیلمهای PET، کربوکسیلدار کردن، کیتوزان