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TESIS CON CARÁCTER ABIERTO

PROGRAMA: MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA DE POLÍMEROS

AUTOR: ni ANA FT J7ARETH MF7A ROJAS

TITULO: Efecto de las nanopartículas de plata en una matrizhigroscópica sobre las características físico mecánicas y antimicrobianasde una película plástica multicapa.

ASESORES: Dr. Saúl Sánchez Valdes

Dr. Eduardo Ramírez VargasFIRMA

El Centro de Investigación en Química Aplicada clasifica el presentedocumento de tesis como ABIERTO.

Un documento clasificado como Abierto se expone en los estantes delCentro de Información para su consulta. Dicho documento no puede sercopiado en ninguna modalidad sin autorización por escrito del Titular delCentro de Información o del Director General del CIQA.

Saltillo,Septiembrede 2009

Sello de la InstituciónDr. Juan Méndez NonellDirector General del CIQA

TESIS

Efecto de las nanopartículas de plata en una matriz higroscópica

sobre las características físico mecánicas y antimicrobianas

de una película plástica multicapa.

PRESENTADA POR:

Diana Elizabeth Meza Rojas.

PARA OBTENER EL GRADO DE:

Maestro en Tecnología de Polímeros.

ASESOR:

Dr. Saúl Sánchez Valdes.

CO-ASESOR:

Dr. Eduardo Ramírez Vargas.

Saltillo, Coahuila Septiembre 2009.

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN QUÍMICA APLICADA

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN QUÍMICA APLICADAPrograma de Maestría en Tecnología de Polímeros

TESIS

Efecto de las nanopartículas de plata en una matriz higroscópicasobre las características físico mecánicas y antimicrobianas

de una película plástica multicapa

Presentada por:

DIANA ELIZABETH MEZA ROJAS

Para obtener el grado de:

Maestro en Tecnología de Polímeros

Asesorada por:

Dr. Saúl Sánchez Valdes

Dr. Eduardo Ramírez Vargas

SINODALES

Dr. Roberto Benavides CantúPresidente

Dra. Ma. Lydia Berlanga DuarteSecretario

Dr. Vibran Argenis Perera MercadoVocal

Saltillo, CoahuilaSeptiembre, 2009

DECLARACIÓN

Declaro que la información contenida en la Parte Experimental así como en

la Parte de Resultados y Discusiones de este documento y que forman parte

de las actividades de investigación y desarrollo realizadas durante el

período que se me asignó para llevar a cabo mi trabajo de tesis, será

propiedad del Centro de Investigación en Química Aplicada.

Saltillo, Coahuila a 2 de septiembre de 2009

MEZA ROJAS

Nombre y Firma

Dedicatoria

DEDICATORIA

A mi esposo y amigo Reyes, por estar conmigo en los momentos en que el estudio

ocuparon mi tiempo y esfuerzo.

Gracias por haber sido mi fuente de inspiración en mi deseo de proseguir mis

estudios!

Agradecimientos

AGRADECIMIENTOS

A Dios. Por acompañarme siempre en todo mi camino, llenarme de bendiciones y

darme siempre las fuerzas necesarias para seguir adelante.

A mis papás, Martha Rojas Monasterio y Héctor Meza Hernández. Por ser guías

en mi formación para la vida e impulsarme siempre a mi superación.

Con cariño a mis hermanos, Rocío y Esaú. Gracias por su apoyo y por compartir

la vida juntos.

A la Dra. Hortensia Ortega por su apoyo en la realización de las pruebas

antimicrobianas.

A mis asesores, Dr. Saúl Sánchez y Dr. Eduardo Ramírez.

Por compartir sus conocimientos durante el desarrollo del presente trabajo así

como su confianza y apoyo.

A mis sinodales, Dr. Roberto Benavides, Dra. Ma. Lydia Berlanga y Dr. Yibran

Perera. Por su tiempo y asesoría para la mejora de este trabajo.

A la Ing. Ma. Concepción González Cantú, por la orientación técnica que me

brindó en todo momento.

Al personal del Laboratorio de Caracterización Química por el lugar de trabajo

otorgado para el desarrollo experimental y actividades relacionadas con la

caracterización.

Al Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), por la oportunidad de

realizar este trabajo de investigación.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo financiero

concedido a través de la beca No. 211985.

Índice

ii

ÍNDICE

ÍNDICE .............................................................................................................................. ii

ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................... viii

ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................................... xii

LISTA DE SÍMBOLOS ..................................................................................................... xiii

RESUMEN ......................................................................................................................... xiv

CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 1

1.1 Nanomateriales. .................................................................................................... 1

1.1.1 Nanopartículas metálicas. .................................................................................. 1

1.1.2 Organización estructural. ................................................................................... 1

1.2 Nanopartículas de plata. ....................................................................................... 3

1.2.1 Introducción. ...................................................................................................... 3

1.2.2 Propiedades Físicas. .......................................................................................... 3

1.2.3 Propiedades Químicas. ...................................................................................... 5

1.2.4 Métodos de Síntesis. .......................................................................................... 6

1.2.4.1 Síntesis por Radiación γ. .......................................................................... 7

1.2.4.2 Síntesis por Sacáridos. ............................................................................. 8

1.2.5 Dispersión por procedimientos físicos. ............................................................. 9

1.3 Usos de la energía ultrasónica en Química y Procesado. ................................... 11

1.3.1 Velocidad y Presión. ........................................................................................ 13

1.3.2 Factores que afectan el umbral de cavitación. ................................................. 14

1.3.2.1 Efecto de gases y partículas. .................................................................. 14

1.3.2.2 Efecto de la viscosidad. .......................................................................... 15

1.3.2.3 Efecto de la frecuencia. .......................................................................... 15

1.3.2.4 Efecto de la temperatura. ........................................................................ 16

1.4 Propiedades Antimicrobianas. ............................................................................ 17

Índice

iii

1.5 Toxicidad. ........................................................................................................... 22

1.6 Nanocompuestos poliméricos. ............................................................................ 24

1.6.1 Métodos de Síntesis. ........................................................................................ 24

1.6.1.1 Métodos Físicos. .................................................................................... 24

1.6.1.2 Métodos Químicos. ................................................................................ 25

1.6.1.3 Métodos Físico-Químicos. ..................................................................... 25

1.7 Evaluación de la Actividad Antimicrobiana. ...................................................... 25

1.7.1 Por el método de difusión en placas. ............................................................... 25

1.7.1.1 Categorías interpretativas. ...................................................................... 26

1.7.1.1.1 Sensible. ............................................................................................... 26

1.7.1.1.2 Intermedio. ........................................................................................... 26

1.7.1.1.3 Resistente. ............................................................................................ 26

1.7.2 Por el método de Peterson. .............................................................................. 26

HIPÓTESIS ......................................................................................................................... 28

OBJETIVOS ........................................................................................................................ 29

CAPITULO 2. DESARROLLO EXPERIMENTAL ......................................................... 30

2.1 Materiales y Solventes. ....................................................................................... 30

2.1.1 Polímeros para elaborar la película multicapa. ................................................ 30

2.1.2 Nanopartículas de plata. .................................................................................. 30

2.1.2.1 Medición del tamaño de partícula. ......................................................... 30

2.1.3 Agentes de acoplamiento. ................................................................................ 31

2.1.4 Solventes (Agentes Dispersantes). .................................................................. 31

2.2 Equipo e instrumentación. .................................................................................. 32

2.2.1 Elaboración de película multicapa. .................................................................. 32

2.2.2 Pruebas biológicas. .......................................................................................... 32

2.2.3 Caracterización. ............................................................................................... 32

2.3 Reactivos para pruebas antimicrobianas. ........................................................... 32

Índice

iv

2.3.1 Reactivo A. ...................................................................................................... 32

2.3.2 Reactivo B. ...................................................................................................... 33

2.3.3 Reactivo de Folin-Ciocalteu. ........................................................................... 33

2.4 Medios de cultivo. .............................................................................................. 33

2.5 Microorganismos utilizados. .............................................................................. 33

2.6 Evaluación de la actividad antimicrobiana. ........................................................ 33

2.6.1 Método de difusión en placa. ........................................................................... 33

2.6.1.1 Preparación del medio de cultivo sólido. ............................................... 34

2.6.1.2 Inoculación de las placas. ....................................................................... 34

2.6.1.3 Aplicación de la muestra a las placas inoculadas. .................................. 34

2.6.1.4 Lectura de las placas e interpretación de los resultados. ........................ 35

2.6.2 Método de cultivo líquido. .............................................................................. 35

2.6.2.1 Procedimiento Experimental. ................................................................. 35

2.6.3 Determinación de proteínas por el método de Peterson. ................................. 36

2.6.3.1 Procedimiento Experimental. ................................................................. 36

2.7 Determinación de la concentración del agente biocida (iones de plata)............. 37

2.7.1.1 Inmersión del nanocompuesto PA6/Ag en medio acuoso para la

liberación de Ag+ ..................................................................................................... 37

2.7.1.2 Preparación previa del analito para la medición de Ag+ ........................ 38

2.7.1.3 Calibración del potenciómetro. .............................................................. 38

2.8 Elaboración de película multicapa. ..................................................................... 39

2.9 Métodos para la elaboración de nanocompuestos PA6/plata. ............................ 40

2.9.1 Inmersión. ........................................................................................................ 40

2.9.2 Aspersión. ........................................................................................................ 40

2.9.3 Impregnación en ultrasonido. .......................................................................... 41

2.10 Elaboración de soluciones coloidales de plata. .................................................. 41

2.10.1 Ácido Fórmico como agente dispersante....................................................... 42

Índice

v

2.10.2 Etilenglicol como agente dispersante. ........................................................... 42

2.11 Pruebas Preliminares para la elaboración del nanocompuesto PA6/Ag. ............ 43

2.12 Pruebas Finales para la elaboración del nanocompuesto PA6/Ag. .................... 44

2.13 Técnicas de caracterización. ............................................................................... 45

2.13.1 Caracterización Fisicoquímica. ..................................................................... 45

2.13.1.1 Análisis de Difracción de Rayos X de Ángulo Amplio (WAXD). ........ 45

2.13.1.2 Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR). ........... 45

2.13.2 Caracterización Morfológica. ........................................................................ 46

2.13.2.1 Microscopía Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (FESEM). . 46

2.13.3 Caracterización Mecánica.............................................................................. 46

2.13.3.1 Tensión-Elongación. .............................................................................. 46

2.13.4 Propiedades Ópticas. ..................................................................................... 46

2.13.5 Espectrofotometría de Absorción Atómica. .................................................. 47

CAPITULO 3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............................................................. 48

3.1 Caracterización de materias primas. ................................................................... 48

3.1.1 Poliamida 6. ..................................................................................................... 48

3.1.1.1 Propiedades de Barrera. ......................................................................... 48

3.1.1.2 Estructura química. ................................................................................ 48

3.1.2 Polietilenos. ..................................................................................................... 49

3.1.2.1 Propiedades de Barrera. ......................................................................... 49

3.1.2.2 Estructura química. ................................................................................ 50

3.2 Caracterización de nanopartículas. ..................................................................... 52

3.2.1 Morfología de la nanopartícula de plata. ......................................................... 52

3.2.2 Difracción de Rayos X de nanopartículas de plata. ......................................... 53

3.3 Pruebas Preliminares. Selección del medio de dispersión, concentración de

nanopartícula de plata y de agente de acoplamiento. ...................................................... 54

3.3.1 Liberación de iones de plata. ........................................................................... 54

Índice

vi

3.3.1.1 Ácido Fórmico como agente dispersante. .............................................. 54

3.3.1.2 Etilenglicol como agente dispersante. .................................................... 57

3.4 Pruebas Finales. Determinación del método de impregnación de nanopartícula. .

............................................................................................................................ 62

3.4.1 Propiedades mecánicas. ................................................................................... 62

3.4.2 Pruebas ópticas. ............................................................................................... 65

3.4.3 Morfología y tamaño de partícula por microscopía electrónica de barrido de

emisión de campo (FESEM). ...................................................................................... 66

3.4.3.1 Método de inmersión. ............................................................................. 67

3.4.3.2 Metodo por aspersión. ............................................................................ 70

3.4.3.3 Método por ultrasonido. ......................................................................... 71

3.4.4 Análisis elemental de plata por EDS (Espectroscopía de energía dispersiva de

Rayos X) ...................................................................................................................... 74

3.4.4.1 Método por inmersión. ........................................................................... 74

3.4.4.2 Método por aspersión. ............................................................................ 75


3.4.5 Liberación de iones de plata por el método de potenciometría. ...................... 77

3.4.5.1 Método de inmersión .............................................................................. 78

3.4.5.2 Método por aspersión. ............................................................................ 80


3.4.6 Pruebas Antimicrobianas. ................................................................................ 85

3.4.6.1 Pruebas Antimicrobianas con Aspergillus Niger. .................................. 85

3.4.6.1.1 Método por inmersión. ......................................................................... 88

3.4.6.1.2 Método por aspersión. .......................................................................... 89

3.4.6.1.3 Método por ultrasonido. ....................................................................... 90

3.4.6.2 Pruebas Antimicrobianas con Pseudomona Aeruginosa. ....................... 91

3.4.7 Cuantificación de plata impregnada por espectrofotometría de absorción

atómica. ....................................................................................................................... 92

Índice

vii

CONCLUSIONES ............................................................................................................... 96

APÉNDICE ......................................................................................................................... 98

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 101

Índice de Figuras

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

Página

Figura 1. Transformación de los átomos metálicos en cuerpos sólidos metálicos. 2

Figura 2. Simulación del espectro de absorción de nanopartículas de plata esféricas

para diferentes diámetros de partículas. 4

Figura 3. Correlación entre la longitud de onda y tamaño de partícula para varias

morfologías. 5

Figura 4. Proceso de irradiación-reducción para elaborar nanopartículas de plata. 7

Figura 5. Imagen por TEM de las nanopartículas de plata. 7

Figura 6. Imágenes de TEM de nanopartículas de plata coloidal sintetizadas mediante

reducción de [Ag (NH3)2]+ por a) glucosa; b) galactosa; c) lactosa y d)

maltosa. 8

Figura 7. Micrografías por SEM de una suspensión que contiene 0.5 wt% de

nanopartículas de plata, a) no dispersas; b) dispersadas con la mano; c)

dispersadas por sonificador; d) dispersada por molino de tres rodillos. 11

Figura 8. Movimiento de ondulatorio de las partículas (a) ondas longitudinales, (b)

ondas transversales. 13

Figura 9. a) gráfica de desplazamiento x, y b) gráfico de presión P. 14

Figura 10. Variación del umbral de intensidad con respecto a la frecuencia (a) agua

en aerosol, (b) aire libre de agua. 16

Figura 11. Método de Peterson. 36

Figura 12. Curva de calibración para el potenciómetro. 38

Figura 13. Estructura de la película multicapa. 39

Figura 14. Técnica de Inmersión. 40

Figura 15. Técnica de aspersión 41

Figura 16. Técnica por ultrasonido. 41

Figura 17. Espectro infrarrojo del Nylon 6. 49

Figura 18. Espectro infrarrojo del PE. 51

Figura 19. Espectro infrarrojo del PEgAM 52

Figura 20. Fotografía de la morfología de la nanopartícula de plata. 52

Figura 21. Patrón de difracción de las nanopartículas de plata. 53

Índice de Figuras

ix

Figura 22. Cinética de liberación de iones de plata con 0.2 y 0.9 wt% de

concentración de plata en Ácido Fórmico como agente de dispersión 55

Figura 23. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Maleico (AM)

como agente de acoplamiento y con 0.2 y 0.9 wt% de concentración de

plata en Ácido Fórmico como agente de dispersión 56

Figura 24. Solución coloidal de plata con Ácido Fórmico después de aplicarle

ultrasonido, a) 0.9 wt% de plata sin Anhídrido Maleico; b) 0.9 wt% con

Anhídrido Maleico. 57

Figura 25. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Itacónico (AI)

como agente de acoplamiento a 25ºC en etilenglicol, mediante el método

de aspersión. 57

Figura 26. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Maleico (AM)


de aspersión. 58

Figura 27. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Itacónico (AI)


de aspersión. 60

Figura 28. Cinética de liberación de iones de plata a diferentes concentraciones de

Anhídrido Itacónico (AI) a 25ºC en etilenglicol, mediante el método de

aspersión. 61

Figura 29. Nanocompuestos elaborados por el método de inmersión, (1a)

Micrografía; (1a) Distribución de tamaño de aglomerado; (1a)

Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido itacónico a

25ºC, (2a) Micrografía; (2b) Distribución de tamaño de aglomerado; (2c)

Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido maleico a



60ºC. 68

Figura 30. Nanocompuesto con Anhídrido Itacónico a 25ºC por el método de

aspersión, 1a) Micrografía por FESEM del nanocompuesto PA6/Ag,1 b)

Distribución de tamaño de aglomerados, 1c) Distribución probabilística. 70

Figura 31. Nanocompuestos elaborados por el método de ultrasonido, (1a)

Micrografía; (1a) Distribución de tamaño de aglomerado; (1a)

Índice de Figuras

x



Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido maleico a



60ºC. 72

Figura 32. Mapeo elemental mediante EDS para las muestras con impregnación por

el método de inmersión con 0.8 wt% de plata, a) Anhídrido Itacónico a

25ºC, b) Anhídrido Maleico a 25ºC y c) Anhídrido Itacónico a 60ºC. 75

Figura 33. Mapeo elemental mediante EDS para la muestra con impregnación por el

método de aspersión con 0.8 wt% de plata y con Anhídrido Itacónico a

25ºC. 75

Figura 34. Mapeo elemental mediante EDS para las muestras con impregnación por

el método de ultrasonido con 0.8 wt% de plata, a) Anhídrido Itacónico a

25ºC, b) Anhídrido Maleico a 25ºC y c) Anhídrido Itacónico a 60ºC. 76

Figura 35. Liberación de iones de plata como función del tiempo de inmersión en el

medio acuoso, para el nanocomposito PA6/Ag con 0.8 wt% de plata con

Anhídrido Itacónico (AI) o Anhídrido Maleico (AM) como agentes de

acoplamiento mediante el método de inmersión. 78

Figura 36. Velocidad de liberación para la muestra con Anhídrido Itacónico (AI) a

25ºC por el método de inmersión. 80

Figura 37. Liberación de iones de plata como función del tiempo de inmersión en el

medio acuoso, para el nanocompuesto PA6/Ag con 0.8 wt% de plata y con

Anhídrido Itacónico (AI) o Anhídrido Maleico (AM) como agente de

acoplamiento mediante el método de aspersión. 81

Figura 38. Velocidad de liberación para la muestra con Anhídrido Itacónico (AI) a

25ºC por el método de aspersión. 82

Figura 39. Liberación de iones de plata como función del tiempo de inmersión en

medio acuoso, para el nanocomposito PA6/Ag con 0.8 wt% de plata y con

Anhídrido Itacónico (AI) o Anhídrido Maleico (AM) como agente de

acoplamiento mediante el método impregnación en ultrasonido. 83

Figura 40. Velocidad de liberación para la muestra con 0.8 wt% de plata y Anhídrido

Itacónico (AI) a 25ºC por el método de impregnación en ultrasonido. 84

Índice de Figuras

xi

Figura 41. Imágenes fotográficas para las muestras con deposición de nanopartícula

de plata por el método de inmersión (a,b,c), aspersión (d,e,f) e

impregnación en ultrasonido (g,h,i) con Anhídrido Itacónico o Anhídrido

Maleico como agente de acoplamiento: a,d,g) Anhídrido Itaconico (25ºC),

b,e,h) Anhídrido Maleico (25ºC), c,f,i) Anhídrido Itacónico (60ºC) 87

Figura 42. Prueba cuantitativa para los nanocompuestos elaborados por el método de

inmersión, con un porcentaje de inhibición de: 19.5% para M1-i

(Anhídrido Itacónico 25º), 9.7 % para M2-i (Anhídrido Maleico 25ºC) y

10.3 % para M3-i (Anhídrido Itacónico 60ºC). 88

Figura 43. Prueba cuantitativa para los nanocompuestos elaborados por el método de

aspersión, con un porcentaje de inhibición de: 35.7 % para M1-a

(Anhídrido Itacónico 25º), 19.6 % para M2-a (Anhídrido Maleico 25ºC) y

23.0% para M3-a (Anhídrido Itacónico 60ºC). 89

Figura 44. Prueba cuantitativa para las muestras con deposición de plata por el

método de impregnación en ultrasonido, con un porcentaje de inhibición

de: 28.3 % para M1-u (Anhídrido Itacónico 25º), 21.3 % para M2-u

(Anhídrido Maleico 25ºC) y 14.0 % para M3-u (Anhídrido Itacónico

60ºC). 90

Figura 45. Equipo empleado para la elaboración de nanocompuestos por el método

de aspersión. 99

Figura 46. Posiciones estudiadas con el aspersor para lograr una distribución

homogénea de los aglomerados de partícula en la matriz polimérica. 100

Índice de Tablas

xii

ÍNDICE DE TABLAS

Página

Tabla 1. Número de átomos que contiene un aglomerado atómico en su superficie. 2

Tabla 2. Presión del sonido (P) que produce cavitación en varios líquidos a una

presión hidrostática de 1atm donde n es la viscosidad del aceite, p es la

densidad y c es la velocidad de la partícula en el ultrasonido.. 15

Tabla 3. Materiales empleados para elaborar la película multicapa. 30

Tabla 4. Propiedades Físicas de los Agentes de Acoplamiento. 31

Tabla 5. Propiedades Físicas de los Agentes Dispersantes. 31

Tabla 6. Condiciones de los extrusores para elaborar película multicapa. 39

Tabla 7. Nanocompuestos con Ácido Fórmico como agente dispersante. 43

Tabla 8. Nanocompuestos con Etilenglicol como agente dispersante. 44

Tabla 9. Muestras con impregnación de plata por el método de inmersión, aspersión e

impregnación en ultrasonido. 45

Tabla 10. Propiedades de Barrera del Nylon 6. 48

Tabla 11. Propiedades de Barrera de Polietilenos 50

Tabla 12. Muestras con diferentes técnicas de deposición de nanopartícula de plata

en la matriz polimérica con 0.8 wt% de plata para la realización de las

pruebas finales. 62

Tabla 13. Propiedades mecánicas de los nanocompuestos PA6/Ag a diferentes

métodos de impregnación de la nanopartícula de plata. La concentración

de nanopartícula de plata es de 0.8 wt%. 63

Tabla 14. Propiedades ópticas de los nanocompuestos PA6/Ag. 65

Tabla 15. Respuesta de los nanocompuestos al Aspergillus Niger. 86

Tabla 16. Porcentaje de inhibición contra P. Aeruginosa 91

Tabla 17. Concentración de plata en la matriz polimérica. 93

Lista de Símbolos

xiii

LISTA DE SÍMBOLOS

Ag+ Iones de Plata.

AI Anhídrido Itacónico.

AM Anhídrido Maleico.

EG Etilenglicol.

Khz Unidad de Frecuencia.

σ Tensión Superficial.

η Viscosidad

Pv Presión de vapor

Ph Presión hidrostática

R0 Burbuja de radio R0

LLDPE Polietileno Lineal de Baja Densidad.

PEgAM Polietileno Maleatado.

PA6 Poliamida 6.

PVP Polivinilpirrolidona.

SDS Dodecil Sulfato de Sodio.

NaOH Hidróxido de Sodio.

Na2CO3 Carbonato de Sodio.

CuSO4 Sulfato de Cobre.

PDA Agar Dextrosa y Papa.

CDP Caldo de Papa y Dextrosa.

EDS Espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X.

STEM Microscopía Electrónica de Barrido con Módulo de

Transmisión.

WAXD Difracción de Rayos X de ángulo amplio.

FTIR Espectroscopía Infrarroja por Transformada de

Fourier.

Resumen

xiv

RESUMEN

En este trabajo se estudió el efecto del uso de nanopartículas de plata localizadas en una

capa externa de una película coextruída, sobre sus características físico-mecánicas y

antimicrobianas con potencial uso en empaque de productos susceptibles al ataque de

microorganismos patógenos tales como: fármacos, alimentos y otros. Como substrato se

elaboró una película coextruída multicapa con una formulación similar a la utilizada en

películas de barrera para empaque tanto de alimentos como fármacos y productos médicos.

Para la impregnación de la nanopartícula de plata se prepararon soluciones coloidales de

plata en etilenglicol (EG) usando dos tipos de agentes de acoplamiento: anhídrido itacónico

(AI) y anhídrido maleico (AM), con el fin de lograr una mayor cantidad de nanopartículas

de plata impregnada en el substrato. A estas soluciones se les aplicó ultrasonido para

lograr una dispersión homogénea de las nanopartículas en la solución. Se usaron tres

diferentes métodos para depositar las nanopartículas en la matriz polimérica; el primer

método es mediante la técnica de inmersión del substrato en la solución coloidal, el

segundo método consistió en la aspersión de dicha solución sobre la superficie del Nylon 6

de la película multicapa y el último método consistió en la inmersión del substrato en la

solución coloidal de plata aplicando ondas de ultrasonido.

Estas películas fueron caracterizadas en cuanto al grado de dispersión alcanzado, sus

propiedades mecánicas de esfuerzo y deformación a la ruptura, propiedades ópticas, así

como la capacidad de liberación de iones Ag+ y sus características de inhibición del

crecimiento de hongos y bacterias, lográndose establecer el efecto de la concentración y el

método de aplicación sobre estas propiedades.

El efecto fungicida de las películas multicapa con nanopartículas de plata y el grado de

inhibición en el crecimiento de hongos fue relativamente más eficiente que en el control de

las bacterias.

Imágenes obtenidas por microscopia electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM)

mostraron que el método de aspersión es el más adecuado ya que las nanopartículas

mostraban una distribución bastante uniforme sobre la superficie del Nylon 6.

Resumen

xv

Se pudo concluir que las nanopartículas de plata depositadas en la capa superficial no

tienen un efecto significativo en las propiedades mecánicas de esfuerzo y deformación de

las películas multicapa.

Además se pudo apreciar que las propiedades ópticas de las películas multicapa se ven solo

ligeramente alteradas con respecto a la transmisión de luz visible.

También se evaluó la cantidad de nanopartículas impregnadas en los nanocompuestos

mediante absorción atómica así como la estabilidad de dicha impregnación.

Capítulo 1. Introducción

1

CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1 NANOMATERIALES.

1.1.1 Nanopartículas metálicas.

Las partículas pueden ser subdivididas por su tamaño en tres tipos [1]: partículas de

tamaño nanométrico o ultradispersadas de aproximadamente 1-50 nm, partículas altamente

dispersadas de 50-100 nm y partículas de tamaño micrométrico.

A las nanopartículas metálicas con diámetros de 2-50 nm, así como los coloides cristalinos

también se les llaman comúnmente partículas ultrapequeñas y nanocristales [2], y

partículas subcoloidales [3]. El límite superior del tamaño de los nanocristales

semiconductores en matrices poliméricas es la condición que da la homogeneidad óptica

de las composiciones [4].

Hay dos tipos de nanopartículas [4]:

1. Aglomerados de 1-10 nm. Partículas con un ordenamiento estructural atómico

comúnmente de 38-40 átomos y a veces más, por ejemplo Au55 y Pt309.

2. Aglomerados de 10-50 nm que consisten de 103-106 átomos.

1.1.2 Organización estructural.

La Figura1 ilustra las principales etapas de como un átomo individual se transforma en un

cuerpo metálico. Iniciando con átomos individuales en estado de valencia cero (M0) hasta

obtener una partícula metálica que presenta las propiedades de un metal denso, el sistema

pasa a través de un número de estados intermedios, algunos son la agrupación y formación

de nanopartículas.


2

Figura 1. Transformación de los átomos metálicos en cuerpos sólidos metálicos [5].

De forma ideal, la relación entre el número de átomos agrupados y su superficie

compartida en presencia de un empaquetamiento hexagonal se da como en la Tabla 1

[6][7].

Tabla 1. Número de átomos que contiene un aglomerado atómico en su superficie [6].

Número de capas Número de átomos

aglomerados

Proporción de átomos

en la superficie, %

1 13 92

2 55 76

3 147 63

4 309 52

5 561 45

6 923

7 1415 3.2 nm de diámetro

La estructura de aglomerados homometálicos pequeños y de tamaño medio (3, 4, 5, 6, 10,

20 y 38 átomos) se han examinado por análisis de difracción de rayos-X. La estructura se

ha encontrado que consiste de constituyentes [8]: cíclicos, carcasas y poliedros. Después

de la transición de agrupaciones atómicas a nanopartículas el comportamiento

monoatómico es menos prominente. Sin embargo, la simetría en la distribución de fuerzas

es violada debido a la incompensación de enlaces entre átomos de las capas

subsuperficiales. Estos átomos constituyen una porción sustancial del total de átomos en

una partícula. Así hay ∼1023 átomos en 1 cm3 de Ni monocristalino, en contraste a 1 cm2,

donde hay 2x1015 átomos. El número de átomos en la superficie puede incrementarse

sustancialmente si se incrementa la superficie total (o grado de dispersión) de las

partículas. Por ejemplo, la proporción de átomos encontrados en superficies de

Átomo 0.1nm

Aglomerado 1nm

Nanopartícula ≈10nm

Coloide ≈102nm

Metal sólido >>103nm


3

nanopartículas con diámetros de 1 nm (∼12-15 átomos) es 100%, mientras que la

proporción de partículas con tamaños de 5 nm es únicamente del 15%.

Nanopartículas con tamaños de 2 nm contienen cantidades de átomos en la superficie

comparables con los que existen en el interior de la partícula. El empaquetamiento

atómico en su interior corresponde a una estructura cúbica centrada en las caras, pero en la

superficie de esta, se tiene una estructura isocaédrica [6].

1.2 NANOPARTÍCULAS DE PLATA.

1.2.1 Introducción.

Las nanopartículas se caracterizan por poseer una gran área superficial, ya que una fracción

importante de los átomos que la forma, están en su superficie. En los últimos años, se han

realizado muchas investigaciones en este campo, dado que las propiedades de estas

nanopartículas están íntimamente relacionada con su tamaño y morfología, tal es el caso de

las nanopartículas de plata, de las cuales se discutirán sus propiedades tanto físicas y

química en función de su forma y tamaño.

1.2.2 Propiedades Físicas.

Dentro de las propiedades físicas de las nanopartículas de plata, sobresalen sus propiedades

ópticas, las cuales son dominadas por la colección de las oscilaciones producidas por

electrones conductores, resultantes de las interacciones con la radiación electromagnética.

Estas propiedades son principalmente observadas en el oro, plata y cobre, por la presencia

de electrones conductores libres. El campo eléctrico producido por la radiación, induce la

formación de un dipolo en la nanopartícula, una fuerza restauradora en la nanopartícula

intenta compensar este efecto y, como resultado, se obtiene una única y característica

resonancia a una longitud de onda determinada [9].

La longitud de onda de absorción de las nanopartículas, depende de factores como el

tamaño de partícula, morfología, la naturaleza del medio que lo rodea, así como la

distancia promedio entre nanopartículas vecinas, entre los más importantes [10].


4

Las técnicas de mayor utilización para la caracterización y estudio de nanopartículas de

plata, ha sido el empleo del espectrofotómetro de absorción de luz (UV-Vis), apoyado por

el uso del microscopio electrónico de transmisión (TEM); en partícular, las propiedades

ópticas de las nanopartículas de plata, pueden ser predichas por la teoría de Mie [11] y las

aportaciones realizadas por Mock y colaboradores [10].

Según la teoría de Mie [11], en el espectro de absorción UV-Vis de nanopartículas de

plata, aumenta la intensidad del pico de absorción al incrementar el tamaño de las

nanopartículas, acompañado de un decrecimiento en el ancho de banda; por otro lado, el

espectro de absorción de nanopartículas muy pequeñas, es menos intenso y con un

incremento en su ancho de banda. La Figura 2, muestra una simulación del espectro de

absorción para varios tamaños de nanopartículas esféricas.

Figura 2. Simulación del espectro de absorción de nanopartículas de plata esféricas para diferentes diámetros de partículas [11].

Mock y colaboradores [10], recopilaron el espectro de absorción de nanopartículas de plata

de diversas morfologías, las que correlacionaron su tamaño y forma con las longitudes de

onda de absorción, apoyados en la microscopía electrónica de transmisión. La Figura 3

muestra la gráfica de correlación entre la longitud de onda y el tamaño de partícula para

diferentes morfologías, en la que se aprecia que a medida que la nanopartícula se hace más

asimétrica y de mayor tamaño, hay un desplazamiento hacia longitudes de onda mayores.

Longitud de onda (nm)

Abs

roba

ncia

(U.A

)


5

Figura 3. Correlación entre la longitud de onda y tamaño de partícula para varias morfologías [10].

1.2.3 Propiedades Químicas.

El área superficial de las nanopartículas, incrementa marcadamente con el decrecimiento

del tamaño. Nanopartículas con un tamaño de 1 nm tendrán el 100 % de sus átomos en la

superficie, en cambio las nanopartículas con un tamaño de 10 nm, tendrá cerca del 15 % de

sus átomos en la superficie, por lo que una nanopartícula con gran área superficial será

mucho más reactiva y tendrá excelentes propiedades catalíticas [9].

Entre las nanopartículas de metales inorgánicos, la plata ha recibido una considerable

atención, debido a sus atractivas propiedades fisicoquímicas y la fuerte toxicidad para un

amplio rango de microorganismos.

Estudios recientes han demostrado que el efecto bactericida de las nanopartículas de plata,

está íntimamente relacionado con su morfología y distribución de tamaño [12][13].

Morones y colaboradores [12] realizaron un estudio de la interacción de las nanopartículas

de plata con la bacteria Escherichia coli, en la que observaron mediante microscopía

electrónica de transmisión (TEM), que de una población de nanopartículas de 1-40 nm,

sólo las nanopartículas con un diámetro entre 1-10 nm interaccionaban con la bacteria, al

igual que en otro estudio realizado con el virus VIH-1 [13].

Longitud de onda (nm)

Tam

año

(nm

)


6

Entre otras propiedades químicas de las nanopartículas de plata está su habilidad catalítica

donde esto ha sido utilizado para el control de su morfología en algunos sistemas [14].

1.2.4 Métodos de Síntesis.

La preparación de nanopartículas de plata tiene aplicaciones potenciales en

nanoelectrónica, magnéticas, biosensores, catálisis y excelente actividad antibacterial

[15][16]. La mayoría de estas aplicaciones requiere de nanopartículas con tamaño de

partícula pequeño con una distribución de tamaño angosto [17]. Se ha reportado un gran

número de métodos para la preparación de nanopartículas, tales como reducción química

[18][19], fotoreducción [17], microemulsión [20][21], radiación γ [22], electroquímica [23]

y líquido supercrítico [24]. Aunque las nanopartículas de plata preparadas mediante estos

métodos u otros poseen propiedades superiores o únicas, la mayoría de los métodos

dependen del uso de solventes orgánicos y agentes de reducción tóxicos tales como: N,N-

dimetilformamida, hidracina hidratada y borohidruro de sodio. Todos estos métodos

químicos son altamente reactivos y presentan posibles riesgos ambientales y biológicos.

Por otro lado, los métodos físicos requieren de métodos sofisticados y condiciones

estrictas. Khanna y colaboradores [17], obtuvieron nanopartículas de plata por la

fotoreducción de [Ag (NH3)2]+ en una solución acuosa de AgNO3. Sin embargo, la

solución fue irradiada con luz UV por largos períodos de tiempo (entre 48 a 96 horas) para

obtener nanopartículas de plata.

El método de síntesis de nanopartículas de plata más común es mediante la reducción

química de una solución de sal de plata mediante un agente reductor tal como NaBH4,

citrato y ascorbato [25][26]. Mediante el uso del borohidruro se obtienen partículas

monodispersas, pero el control en la generación de partículas de gran tamaño es difícil.

Por otro lado, el uso de citrato de sodio, un agente reductor más débil, presenta una

velocidad de reducción lenta, obteniéndose una distribución de tamaño polidispersa.

Las características de algunos métodos de síntesis de nanopartículas se observa brevemente

a continuación:


7

1.2.4.1 Síntesis por Radiación γ.

Las nanopartículas de plata pueden sintetizarse mediante irradiación γ en una solución de

quitosan. Los iones de plata son reducidos in situ por la irradiación γ y protegidos por

fragmentos de quitosan. El resultado es la síntesis de nanopartículas de plata dispersos en

la solución [27].

El quitosan es un amino polisacárido obtenido de la quitina, se degrada en fragmentos bajo

la irradiación γ. Debido a su interacción con los grupos NH2 de la cadena de quitosan, las

nanopartículas son envueltas por fragmentos de quitosan y así las nanopartículas pueden

mantenerse aglomeradas durante el proceso de irradiación-reducción (Figura 4) [27].

Figura 4. Proceso de irradiación-reducción para elaborar nanopartículas de plata [27]

Figura 5. Imagen por TEM de las nanopartículas de plata [27].

De acuerdo a la Figura 5, el diámetro promedio de la nanopartícula formada se encuentra

en el rango de 4-5 nm.


8

1.2.4.2 Síntesis por sacáridos.

Mediante este método, se sintetizan nanopartículas por la reducción de un catión complejo

[Ag (NH3)2]+ con el uso de cuatro sacáridos. Cuatro sacáridos se usan para la síntesis; dos

monosacáridos (glucosa y galactosa) y dos disacáridos (maltosa y lactosa). La síntesis se

desarrolla variando la concentración de amonio (0.005-0.20 mol L-1) y las condiciones de

pH (11.5-13.0), obteniéndose una distribución de tamaño angosto, especialmente a bajas

concentraciones de amonio [28].

La concentración de amonio representa un parámetro crítico para obtener nanopartículas de

plata de decenas a cientos de nanométros. Adicionalmente, el tamaño de partícula es

influenciado por el pH de la reacción, la distribución de tamaño disminuye a bajos valores

de pH por el contrario, con un incremento en el pH se obtienen grandes tamaños de

partícula.

En la Figura 6 se observa la forma simétrica y la distribución de tamaño angosto para todas

las muestras. Mediante el uso de disacáridos como agente reductor se obtiene partículas de

tamaño más pequeño que cuando se usa monosacáridos [28].

Figura 6. Imágenes de TEM de nanopartículas de plata coloidal sintetizadas mediante reducción de [Ag (NH3)2]+ por a) glucosa; b) galactosa; c) lactosa y d) maltosa [28].

La ventaja de realizar la síntesis usando el catión complejo es la formación de

nanopartículas de plata con tamaños controlables.


9

1.2.5 Dispersión por procedimientos físicos.

Debido a las propiedades únicas (estabilidad química, actividad catalítica y excelente

conductividad eléctrica) de las nanopartículas de plata dispersas finamente, son de gran

interés en muchas aplicaciones tecnológicas [29][30]. Estas aplicaciones incluyen el uso

de nanopartículas de plata como catalizadores, como recubrimiento conductivo y como

pigmento para cerámicos. Además, las nanopartículas de plata son también usadas como

relleno metálico en adhesivos conductores eléctricos (ECAs) y en inyectores de tinta [31].

Sin embargo, la eficiencia total, si no toda, de estas aplicaciones depende del área de

superficie de la partícula de plata, lo cual implica que el tamaño de la partícula y la

propiedad de dispersión no pueden ser ignorados. Por lo tanto, es muy importante

controlar y alcanzar la dispersión de partículas dentro de una distribución de tamaño

estrecho.

Es necesario estabilizar las nanopartículas en el medio de dispersión para prevenir

aglomeraciones. Esto puede ser logrado mediante la estabilización electrostática o

estérica. Algunas de las rutas tradicionales para la síntesis de nanopartículas metálicas en

medio acuoso cuentan con una estabilización electrostática por la formación de una capa

doble eléctrica alrededor de la partícula. Esta doble capa es formada por la adsorción de

especies cargadas negativamente, usualmente iones inorgánicos, en la superficie de la

nanopartícula metálica. Esto resulta en una repulsión Coulombica entre partículas que

previenen la coagulación [28].

La estabilización estérica normalmente involucra la adsorción de moléculas tales como

polímeros o surfactantes en la superficie del polímero para proporcionar una capa

protectora. El agente protector debe tener buena afinidad con la superficie de la partícula

así como dispersarse fácilmente en el solvente deseado. Varios agentes estabilizadores

tales como la gelatina, agar, ciclodextrina, polivinilalcohol (PVA), polivinilpirrolidona

(PVP), péptidos entre otros, han demostrado ser útiles en la estabilización de las

nanopartículas de plata [28].

Las partículas dispersas en una solución continua se encuentran en un constante

movimiento Browniano. Cuando dos partículas se acercan una con otra, la energía

existente entre las partículas determina si la partícula puede separarse o aglomerarse.


10

Generalmente, la aglomeración de las partículas ocurre como resultado de una gran energía

de atracción que rebasa la energía de repulsión entre las partículas. La magnitud de la

fuerza neta que interviene en la producción de estructuras aglomeradas depende,

claramente, de las condiciones y la naturaleza del sistema. Conocer la estructura de la

región interfacial es un factor importante en la compresión de la estabilidad de la

dispersión de las partículas sólidas dentro de una solución [32].

Para producir buena dispersión de partículas de plata en una solución, es necesario un

cambio en la región interfacial inter-partícula ya sea por métodos químicos y/o físicos. El

efecto químico ocurre cuando las moléculas contienen surfactante adsorbido o

macromoléculas para formar interferencias electrostáticas o estéricas dentro de las inter-

partículas. Bajo ciertas condiciones, estas interferencias dan lugar a la repulsión, derivado

de absorber capas de mezcla y perder la configuración entrópica en la inter-partícula [33].

Sin embargo, la capa absorbida puede causar la reducción del área de superficie disponible

o disminuir la conductividad eléctrica. Por el contrario, tales desventajas pueden evitarse

con el método físico. El efecto físico ocurre cuando las partículas absorben energía

destructiva tal como la energía de ultrasonido. La propagación de ondas de ultrasonido en

el medio líquido genera grandes presiones (llegando a miles de atmósfera de presión),

causando un enorme esfuerzo que destruye la energía de enlace de las inter-partículas

disminuyendo el diámetro del aglomerado de partícula. Las burbujas creadas de la

cavitación penetran las grietas formadas por las inter-partículas disminuyendo así el

diámetro de los aglomerados. Se ha reportado que la aplicación de energía de ultrasonido

es un método efectivo para dispersar partículas de alúmina [34]. La dispersión por

ultrasonido ha sido considerada como un método poderoso para alterar agregados en

pequeñas partículas y aglomerados sin la dispersión de agentes químicos. El molino de

rodillos proporciona un método físico alternativo para dispersar partículas. Esto indica que

el movimiento axial de la mezcla en un molino de rodillos proporciona una mezcla más

uniforme [35].

En la Figura 7, se muestran los estudios realizados por Hun-Wen Lin y colaboradores [32],

donde se observa que la dispersión de las nanopartículas es mejorada mediante vibración

ultrasónica y por mezclado mecánico. El tamaño de partícula que obtuvieron de la muestra

mezclada manualmente (Figura 7b) fue de 90 nm. El tamaño de la nanopartícula de plata


11

mezclada por ultrasonido se encuentra en el rango de 25 a 90 nm (Figura 7c), mientras que

el tamaño de partícula que obtuvieron mediante mezclado mecánico se encuentra entre 25

a 30 nm (Figura 7d).

Figura 7. Micrografías por SEM de una suspensión que contiene 0.5 wt% de nanopartículas de plata, a) no

dispersas; b) dispersadas con la mano; c) dispersadas por sonificador; d) dispersada por molino de tres rodillos [32].

1.3 USOS DE LA ENERGÍA ULTRASÓNICA EN QUÍMICA Y PROCESADO.

El sonido puede ser conceptualizado como una onda de choque elástico que se desplaza a

través de la materia, que puede estar en su estado líquido, sólido o gaseoso. La frecuencia

del sonido se mide en Hertz (1 Hertz=1 ciclo por segundo). El rango de audición humana

es de 20Hz a 20kHz para una persona joven (el máximo se reduce con la edad). Otras

especies tienen un amplio rango auditivo, por ejemplo, los perros de 40Hz a 45kHz y los

murciélagos de 1 kHz a 150kHz. Los murciélagos usan sonido de alta frecuencia para

ecolocalización al igual que las ballenas. El ultrasonido se define en términos de la

capacidad de audición humana, y es un sonido que tiene una frecuencia mayor a la que

puede escuchar una persona (>20kHz). El límite superior de la frecuencia ultrasónica no


12

está bien definido pero usualmente se toma como 5mHz para gases y 500 MHz para

líquidos y sólidos. Para su uso, el amplio rango de frecuencias puede dividirse en dos

zonas [36].

La primera involucra sonidos de baja amplitud (alta frecuencia) y es comúnmente referido

como baja energía, o ultrasonido de alta frecuencia. Típicamente en el rango de 2 a 10

MHz, las ondas de baja amplitud se usan para propósitos de medición de velocidad y

coeficiente de absorción de la onda en el medio. La información de este tipo de

mediciones puede ser usada en imágenes médicas, análisis químico y estudio de

fenómenos de relajación [36].

La segunda zona involucra ondas de alta energía, conocida como “Ultrasonido de

Energía”, y se encuentra entre 20 y 100kHz. Esta zona se usa para limpieza, soldado en

plásticos, y más recientemente, en sonoquímica. El rango en sonoquímica se ha extendido

a 2MHz con el desarrollo de equipos de alta energía, capaces de generar cavitación con

sistemas líquidos a estas altas frecuencias..

Al inicio de la onda ultrasónica, ésta se transmite a través de una sustancia, sólida, líquida

o gaseosa, la cual posee propiedades elásticas. El movimiento vibratorio se transmite a las

moléculas del medio, cada una de las cuales transmite el movimiento a una molécula

adjunta antes de que regrese a su estado de movimiento inicial. En líquidos y gases, la

oscilación de las partículas toma lugar en la dirección de las ondas y produce ondas

longitudinales (Figura 8a). Los sólidos sin embargo, también poseen elasticidad cortante

lo que da lugar a ondas transversales en las cuales el movimiento de la partícula se da de

manera perpendicular a la dirección de la onda (Figura 8b) [36].

Una visualización sencilla de la onda transversal es cuando se deja caer una piedra en una

piscina. La perturbación u onda de agua, puede verse cruzando toda la superficie en la

forma de una cresta circular que incrementa su radio.


13

Figura 8. Movimiento de ondulatorio de las partículas (a) ondas longitudinales, (b) ondas transversales [36].

1.3.1 Velocidad y Presión.

Para el caso de una onda longitudinal, el desplazamiento x de una molécula de aire desde

su posición de reposo está dado por [36]:

2 Ecuación 1

Donde x0 es la amplitud de desplazamiento, o máximo desplazamiento de la partícula y, f

la frecuencia del sonido.

Diferenciando se obtiene una ecuación que describe la velocidad de la partícula [36].

2 Ecuación 2

Donde: v0 es la velocidad máxima de la partícula.

La variación de posición en ambos lados de la molécula cuando es atravezada por la onda

sonora produce una variación de presión. El punto donde las moléculas están comprimidas

y muy juntas, la presión es mayor que la presión normal, mientras que en la región donde

las capas están más alejadas, la presión es menor a la normal [36].

Al igual que el desplazamiento, la presión Pa en un instante de tiempo (t) y frecuencia (f)

está dada por:

2 Ecuación 3

Donde: PA es la amplitud de la presión.

Vibración de la partícula

Dirección de la onda

(a)

Vibración de la partícula

(a)

Dirección de la onda


14

En la Figura 9 se muestra que el desplazamiento máximo de la partícula aparece en el

punto de mínima presión (P=0). El desplazamiento y la presión están fuera de fase. Por

otro lado, las moléculas en movimiento vibratorio poseen energía cinética. Usando este

principio se puede deducir la energía asociada con el campo ultrasónico aplicado [34].

Figura 9. a) gráfica de desplazamiento x, y b) gráfico de presión P [34]

1.3.2 Factores que afectan el umbral de cavitación.

1.3.2.1 Efecto de gases y partículas.

Se sugirió previamente que el progreso de una onda de sonido a través de un medio líquido

causa oscilación a las moléculas alrededor de su posición de reposo. Durante el ciclo de

compresión, la distancia media promedio entre las moléculas decrece, mientras que durante

la relajación las distancias se incrementan. Si se aplica al líquido una presión negativa Pc

suficientemente alta, la distancia entre las moléculas excede la distancia molecular crítica

(R), necesaria para mantener el líquido intacto, lo que creará cavidades (por ejemplo,

burbujas de cavitación). La producción de tales burbujas ha sido conocida por muchos

años y un buen ejemplo se tiene en las propelas de los barcos o agitadores donde las

cavidades son producidas por la rápida rotación del álabe a través del líquido. Una vez

producidas estas cavidades, vacíos o burbujas, pueden crecer en tamaño hasta el máximo

de la presión negativa alcanzada. En el siguiente ciclo de presión las ondas serán forzadas

a contraerse y algunas de ellas podrán desaparecer en su totalidad. Las ondas de choque

producidas durante el colapso de las burbujas como resultado de la enorme energía

generada son la causa de la considerable erosión observada en los componentes.

Compresión Compresión

Relajación

x0

PA

a) Desplazamiento (x)

b) Presión (P)


15

1.3.2.2 Efecto de la viscosidad.

Ya que requiere de una presión negativa en el ciclo de relajación para superar las fuerzas

cohesivas naturales actuando en el líquido, cualquier incremento en estas fuerzas

incrementará el umbral de la cavitación. Un método de incrementar estas fuerzas es

incrementar la viscosidad del líquido. La Tabla 2 muestra la influencia de la viscosidad en

la amplitud de la presión PA la cual inicia la cavitación en distintos líquidos a 25°C, a una

presión de 1atm.

El efecto no es insignificante. Con aceites de castor y de maíz, por ejemplo con un

incremento en la viscosidad de diez veces se tiene solamente un incremento del 30% de la

presión acústica necesaria para lograr la cavitación.

Tabla 2. Presión del sonido (P) que produce cavitación en varios líquidos a una presión hidrostática de

1atm donde n es la viscosidad del aceite, p es la densidad y c es la velocidad de la partícula en el ultrasonido.

Líquido η[poise] ρ[gcm-3] c[kms-1] PA[atm] Aceite de Castor 6.3 0.969 1.477 3.9 Aceite de Oliva 0.84 0.912 1.431 3.61 Aceite de Maíz 0.63 0.914 1.463 3.05 Aceite de linaza 0.38 0.921 1.468 2.36 CCl4 0.01 1.6 0.926 1.75

1.3.2.3 Efecto de la frecuencia.

Para romper completamente el líquido y por lo tanto para proporcionar un vacío, que puede

ser subsecuentemente llenado con gas o vapor, se requiere un tiempo determinado. Para

las ondas sonoras con alta frecuencia, el tiempo requerido para crear la burbuja puede ser

mayor que el disponible en el ciclo de relajación. A 20 kHz, por ejemplo, el ciclo de

relajación es de 25 μs, alcanzando su máxima presión negativa en 12.5 μs, mientras que a

20 MHz el ciclo de relajación es de solo 0.025 μs. Por lo que podría anticiparse que como

la frecuencia incrementa la producción de burbujas de cavitación es más difícil obtenerla

en el tiempo disponible y que será necesario emplear una mayor intensidad de sonido en

periodos cortos de tiempo para asegurar que las fuerzas cohesivas del líquido son

superadas. Este efecto se demuestra claramente en la Figura 10 donde la variación en la


16

intensidad del umbral con la frecuencia se muestra para agua carbonatada y gas libre de

vapor de agua [36].

Figura 10. Variación del umbral de intensidad con respecto a la frecuencia (a) agua en aerosol, (b) aire libre de agua [36].

Como es de esperarse, el umbral de agua carbonatada es más bajo que el gas libre de vapor

de agua y el umbral se incrementa con el incremento de la frecuencia. El hecho es que

requiere diez veces más para lograr cavitar el agua a 400 kHz que a 10 kHz. Esta es la

razón por la cual generalmente se buscan frecuencias de 20-50 kHz para efectos de

limpieza. Como puede verse en la Figura 10 que se necesita un poco más de energía para

que el agua Cavite a 50 kHz que la que se requiere a 10 kHz. Sin embargo, a menos de 16

kHz el sistema puede hacerse muy ruidoso ya que se entra en el rango audible. Es por esta

razón que las frecuencias de 20 kHz o más son usadas para aplicaciones en sonoquímica

[36].

1.3.2.4 Efecto de la temperatura.

En general el umbral límite se ha encontrado que decrece con el incremento de la

temperatura. Esto puede deberse en parte al incremento ya sea en la tensión superficial (σ)

o la viscosidad (η) del líquido cuando la temperatura decrece, o esto puede deberse al

decremento de la presión de vapor del líquido (Pv). Para entender mejor como estos


17

parámetros (σ, η, Pv) afectan el umbral de cavitación, consideremos una burbuja aislada de

radio R0, en agua a una presión (Ph) hidrostática de 1atm [36].

Una burbuja dentro de un líquido está sujeta a fuerzas de aplastamiento de la presión

hidrostática y estas a su vez dependen de los efectos de la tensión superficial (2 ⁄ ). Con

el fin de que la burbuja deba permanecer en equilibrio, las fuerzas soportadas debido a la

presión del gas (Pg) y de vapor (Pv) en la burbuja deben ser iguales a las fuerzas de

aplastamiento [36].

2 / Ecuación 4

De este modo la presión de vapor se vuelve sumamente importante para lograr la

cavitación. Tomando como ejemplo el agua que a 100 °C tiene una presión de vapor de

1atm, y a 25°C su presión de vapor es de sólo 0.023 atm. Esto significa que si la

temperatura del medio es de 25°C se requerirá una mayor intensidad de sonido para poder

generar un vacío casi cero, y de esta forma generar una burbuja que pueda generar

cavitación. De lo anterior se concluye que entre más baja es la temperatura, mayor es la

intensidad requerida para causar la cavitación [36].

1.4 PROPIEDADES ANTIMICROBIANAS.

El efecto antimicrobiano de las sales de plata se han observado desde la antigüedad y la

plata se utiliza actualmente para el control del crecimiento de microorganismos en una

variedad de aplicaciones, incluyendo trabajos dentales, catéteres, entre otros. De hecho, es

bien sabido que los iones de plata y los compuestos a base de plata son altamente tóxicos

en microorganismos, mostrando fuertes efectos biocidas a más de 12 especies de bacterias,

incluyendo E. coli [25].

Es conocido que los iones y los compuestos de plata tienen fuertes efectos antimicrobianos

[37], algunos investigadores están interesados en usar otro tipo de nanopartícula inorgánica

como agente antibacterial [37][38]. Estas nanopartículas inorgánicas tienen una ventaja

muy distintiva por encima de los agentes químicos convencionales antimicrobianos. El

problema más importante causado por los agentes químicos antimicrobianos es su

resistencia múltiple. Generalmente el mecanismo antimicrobiano de los agentes químicos


18

depende de su metabolismo en el microorganismo. Varios microorganismos han

desarrollado resistencia a los agentes antimicrobianos a lo largo de generaciones. Hasta la

fecha, estos agentes químicos antimicrobianos han sido eficaces para terapia, sin embargo,

se ha limitado su uso para dispositivos médicos y en profilaxis antimicrobiana. Los iones y

sales de plata se han utilizado por décadas como agentes antimicrobianos en varias áreas,

debido a su capacidad de inhibición de crecimiento contra microorganismos. Además,

muchos otros investigadores han tratado de medir la actividad de los iones de metal contra

los microorganismos. Russel y Hugo [39], han reportado estudios de las propiedades

antimicrobianas de la plata y cobre y Marsh de zinc [40]. Sin embargo, los iones de plata o

sales de plata tienen una utilidad limitada como agentes antimicrobianos por varias

razones, incluyendo efectos de interferencia de las sales y el mecanismo antimicrobiano (la

continua liberación de suficiente concentración de iones de plata del metal). Por el

contrario, este tipo de limitaciones puede superarse mediante el uso de nanopartículas de

plata. Sin embargo, para usar la plata en varias áreas contra los microorganismos es

esencial preparar la plata con métodos efectivos en costos y conocer el mecanismo del

efecto antimicrobiano. Además, este último punto es importante para mejorar el efecto

antimicrobiano.

El mecanismo de inhibición de las nanopartículas de plata en el crecimiento de

microorganismos no ha sido bien entendido. Una posibilidad es que la inhibición puede

ser debido a la formación de radicales libres en la superficie de la nanopartícula. La

generación incontrolable de radicales libres puede atacar a los lípidos de la membrana y

generar un debilitamiento en sus funciones [41].

Algunos estudios reportan que la carga positiva de los iones de plata es crucial para la

actividad antimicrobiana a través de la atracción electrostática entre la carga negativa de la

membrana celular de los microorganismos y la carga positiva de las nanopartículas de plata

[42][43][44]. Por otro lado, Sondi y Salopek-Sondi [45] reportaron que la actividad

antimicrobiana de las nanopartículas de plata en la bacteria Gram-negativo es dependiente

de la concentración de las nanopartículas de plata y está estrechamente relacionado con la

formación de “hoyos” en la pared celular de las bacterias. Por tanto, las nanopartículas de

plata acumuladas en la membrana celular causan la permeabilidad, ocasionando la muerte

de la célula. Amor [46] sugirió que la reducción del metal puede causar la formación de


19

hoyos en la membrana externa y cambiar la permeabilidad de la membrana causada por la

liberación progresiva de moléculas de lipopolisacárido y proteínas de membrana. También

Sondi y Slopek-Sondi [45] especularon que un mecanismo similar puede causar la

degradación de la membrana de E. coli durante el tratamiento con nanopartículas de plata.

Aunque sigue sin estar claro el mecanismo de interacción entre las nanopartículas de plata

y los componentes de la membrana externa. Recientemente, Danilczud y colaboradores

[47] reportaron la generación de radicales libres de plata por medio del estudio de ESR

(resonancia electrónica de spin) de las nanopartículas de plata. Por lo que concluyen que el

mecanismo antimicrobiano de las nanopartículas de plata es debida a la formación de

radicales libres.

Las bacterias poseen diferentes estructuras en su membrana por lo que es posible

clasificarlas en Gram-negativa y Gram-positiva. Las diferencias entre sus estructuras son

debidas a la organización de los principales componentes de la membrana, entre ellas el

peptidoglicano. La bacteria Gram-negativa exhibe únicamente una capa delgada de

peptidoglicano (∼2-3 nm) entre la membrana citoplasmática y la membrana externa [48];

por el contrario, la bacteria Gram-positiva carece de membrana externa pero tiene una capa

de peptidoglicano de 30 nm de espesor, aproximadamente [49].

El efecto antimicrobiano de los iones de plata en los microorganismos es bien conocido,

sin embargo, el mecanismo antimicrobiano es parcialmente conocido. También se ha

propuesto que la plata iónica interactúa con los grupos tiol de las enzimas vitales y las

inactiva [50][51]. Evidencia experimental sugiere que el DNA pierde su capacidad de

replicación una vez que las bacterias han sido tratadas con iones de plata [52]. Otro

estudio muestra un cambio estructural en la pared de la membrana así como la formación

de gránulos de poca densidad electrónica formado por la plata y el azufre [52][53]. Los

iones de plata han demostrado ser muy útiles y efectivos en aplicaciones antimicrobianas.

La partícula metálica en un rango de tamaño nanométrico, exhibe propiedades físicas

diferentes que la de los iones de plata y que un volumen de material. Esta característica le

permite exhibir propiedades extraordinarias tales como un incremento en la actividad

catalítica debido a su morfología con caras altamente activas [54].


20

Partículas metálicas de tamaño ∼5 nm presentan efectos electrónicos, que se define como

un cambio en la estructura electrónica local en la superficie debido al tamaño. Este efecto

mejora la reactividad de la superficie de la nanopartícula. Además, la unión de las

partículas a la bacteria dependerá del área de superficie de interacción. Con un porcentaje

alto de superficie, la bacteria tendrá una interacción directa con partículas pequeñas que

con partículas grandes [12].

El mecanismo por el cual las nanopartículas son capaces de penetrar la bacteria, no ha sido

completamente comprendido, pero un estudio elaborado por Salopek [45] sugiere que en el

caso de E. coli tratada con nanopartícula de plata el cambio generado en la morfología de

la membrana puede causar un incremento significativo en su permeabilidad y afectar el

adecuado transporte a través de la membrana.

La observación de las nanopartículas de plata atacando la membrana celular y dentro de

ella, es fundamental para comprender el mecanismo antrimicrobiano [12].

Es bien conocido que la membrana de la bacteria contiene proteínas que contienen azufre,

que pueden ser sitios preferenciales para las nanopartículas de plata. Las nanopartículas

que se encuentran dentro de la bacteria tienden a reaccionar con estas proteínas, tales como

el DNA [52]. Por tanto, los cambios presentados en la morfología de la membrana de la

bacteria, así como la posible muerte causada por las nanopartículas que reaccionan con el

DNA, afectan los procesos de la bacteria tales como división celular y la cadena

respiratoria causando, finalmente, la muerte de la célula [12].

El efecto de las nanopartículas de plata es diferente del efecto de los iones de plata. Los

iones de plata producen la formación de una región de bajo peso molecular en el centro de

la bacteria. Esta región de baja densidad es un mecanismo de defensa por el cual la

bacteria conglomera su DNA para protegerse de compuestos tóxicos cuando la bacteria

siente una perturbación en su membrana [52]. Sin embargo, no existe evidencia de la

formación de una región de baja densidad, rica en aglomerados de DNA. Cuando se utiliza

nanopartículas de plata, la bacteria presenta un gran número de nanopartículas dentro de

ella.


21

El tratamiento con nanopartículas de plata desestabilizan la membrana externa. Esto

implica que las nanopartículas de plata interrumpen los componentes de barrera de la

membrana externa tales como lipopolisacáridos o porins [55], culminando en la

perturbación de la membrana citoplasmática. Aunque falta por determinar el mecanismo

por el cual las nanopartículas con un diámetro de hasta 10 nm pueden penetrar y

desorganizar la membrana, los resultados de microscopía óptica sugieren que las

nanopartículas de plata penetran las membranas internas y externas de la bacteria Gram-

negativa, algunas partículas se han encontrado intracelularmente [45].

La acción antimicrobiana de los iones de plata también involucra la desestabilización de la

membrana en la bacteria. Estas observaciones son consistentes con estudios anteriores de

la vesícula de membrana bacteriana, la cual revela que los iones de plata inducen fugas de

protones y colapso del potencial de membrana [56]. La diferencia más significante entre

las nanopartículas de plata y los iones de plata es que la concentración de eficacia

antimicrobiana se encuentra dentro del rango nanomolar y micromolar, respectivamente.

En general, los iones de plata tienen gran afinidad con los grupos tiol de las proteínas, y

esto sugiere que los grupos tiol en las enzimas respiratorias son sitios posibles para la

adhesión de Ag+ [57]. Alternativamente, la porción fosfolípida de la membrana de la

bacteria también puede ser un sitio de acción para las especies de plata [56].

La actividad antimicrobiana de la nanopartícula de plata es dependiente de los cationes de

plata (Ag+), que se une fuertemente a grupos donadores de electrones en moléculas

biológicas que contienen azufre, oxígeno o nitrógeno [58]. Por tanto, los polímeros

antimicrobianos con nanopartículas de plata liberan iones de plata a un medio patógeno

con el fin de ser efectivos. La oxidación de la plata metálica a especies activas de Ag+ es

posible a través de una interacción de la plata con moléculas de agua. Una liberación

prolongada y constante de la plata biocida en un nivel de concentración de 0.1 ppb es

capaz de mostrar eficacia antimicrobiana y es un factor importante para el diseño de

materiales antimicrobianos [59].


22

1.5 TOXICIDAD.

Las nanopartículas de plata se encuentran en un gran número de productos de consumo

tales como empaque de alimentos, textiles resistentes al olor, electrodomésticos y en

productos médicos. En los últimos tiempos, existe una preocupación por el uso de

nanopartículas de plata ya que se considera un riesgo inaceptable para la salud humana y

para el medio ambiente. El efecto potencial de las nanopartículas afecta las bacterias que

benefician el medio ambiente, especialmente al suelo y al agua. Además, existe también el

riesgo de que el uso de nanopartículas de plata propicie el desarrollo de la resistencia a los

antibióticos entre las bacterias dañinas.

Como potencial bactericida, las nanopartículas de plata amenazan a las bacterias que son

de vital importancia para el suelo, plantas y animales. Las bacterias del suelo desempeñan

un papel fundamental en la fijación del nitrógeno y en la distribución de la materia

orgánica. Las bacterias forman relaciones simbióticas con las legumbres para

proporcionan una importante fijación de nitrógeno para ambos y otras plantas. La

desnitrificación de las bacterias juega un papel importante en el mantenimiento del agua,

mediante la eliminación de nitratos del agua contaminada por el excesivo uso de

fertilizantes.

La plata también es tóxica cuando se ingiere, incluso cuando el tamaño de la partícula es

mayor que nano. La FDA (Administración de Alimentos y Fármacos) ha advertido desde

1999 que “el uso de soluciones coloidales de plata ha dado lugar a casos de Argiria, una

decoloración azul-gris de la piel y tejidos profundos”. La ingestión de plata coloidal

(suspensión de plata en micropartículas o nanopartículas) también se ha vinculado con

problemas neurológicos, daño renal, malestar estomacal, dolores de cabeza, fatiga y la

irritación de la piel [60][61].

En un estudio in vitro, las nanopartículas de plata también fueron tóxicas para las células

germinales de mamíferos. Una investigación de la citotoxicidad de las nanopartículas de

plata en las células germinales de mamíferos demostró que las nanopartículas son más

tóxicas que otro óxido metálico [62]. La plata redujo significativamente la función

mitocondrial e interfirió en el metabolismo celular, originando fugas en la célula. La

toxicidad de las nanopartículas de plata en las células germinales de mamíferos indica el


23

potencial de estas partículas, en general, para interferir con el sistema reproductivo

masculino.

Es evidente que las nanopartículas de plata deben ser clasificadas como residuos peligrosos

y su uso en productos de consumo debe estar sujeto a las nuevas pruebas de seguridad.

A pesar de la creciente necesidad de reglamentaciones para proteger al medio ambiente y a

la salud humana de los riesgos de nano toxicidad, todavía no existen leyes que controlen el

uso de nanomateriales. Esto significa que, a pesar de las preocupaciones acerca de la nano

toxicidad en los más altos niveles científicos, los fabricantes de los nuevos nano productos

no están obligados a demostrar la seguridad de su producto para el medio ambiente o para

la salud humana antes de su presentación en el mercado.

La exposición a altos niveles de plata por un periodo largo puede producir una condición

llamada argiria. Las exposiciones a niveles de plata menores también pueden producir

depósitos de plata en la piel y en otras partes del cuerpo. La exposición a niveles altos de

plata en el aire ha producido problemas respiratorios, irritación de la garganta y el pulmón

y dolores de estómago.

Las intoxicaciones con plata coloidal se han presentado en personas que están expuestas a

altas concentraciones de plata. La dosis diaria máxima permisible citada por la

administración de alimentos y fármacos (FDA, por sus siglas en inglés) con respecto a la

plata coloidal es [63]:

• Dosis diaria máxima permisible: 5g/kg de peso corporal.

• Dosis crítica: 14g/kg de peso corporal.

Por tanto, la dosis diaria debería ser menos que:

• 350 mg para una persona con un peso corporal de 70 Kg.

• 25 mg para un niño con un peso corporal de 25 Kg.

La agencia de protección del medio ambiente (EPA, por sus siglas en inglés) recomienda

que la concentración de plata en el agua potable no exceda 0.10 mg/L para evitar el

decoloramiento de la piel [63].


24

La administración de seguridad y salud ocupacional (OSHA, por sus siglas en inglés)

limita la cantidad de plata en el aire del trabajo a 0.01 mg/m3 durante una jornada de 8

horas diarias, 40 horas semanales. El instituto de seguridad ocupacional y salud (NIOSH)

también recomienda que el aire del trabajo no contenga más de 0.01 mg/m3 de plata [63].

La conferencia americana de sanitarios industriales de gobierno (ACGIH) recomienda que

el aire del trabajo contenga no más de 0.1 mg/m3 de plata metálica y 0.01 mg/m3 de

compuestos de plata solubles [63].

1.6 NANOCOMPUESTOS POLIMÉRICOS.

1.6.1 Métodos de Síntesis.

Los materiales compuestos consisten de una matriz polimérica dentro de la cual se

encuentran aglomerados o partículas dispersadas distribuidos al azar. Los métodos de

manufactura pueden dividirse en tres grupos: físicos, químicos y fisicoquímicos. La

división se basa en el método de formación de la nanopartícula y el carácter de interacción

con la matriz. Los métodos físicos incluyen los métodos que aparentemente carecen de

alguna interacción entre la fase dispersada y el medio de dispersión. Los métodos

químicos más populares para fabricar nanocompositos se basan en interacciones entre los

componentes esperados. El tercer grupo de métodos se dan cuando un metal o sus

nanopartículas de óxido metálico se forman usando procesos de alta energía de

evaporación metálica incluyendo plasma de baja temperatura, radiólisis y fotólisis en

presencia de un monómero y polímero [64].

1.6.1.1 Métodos Físicos.

Lo primordial del uso de depositación física es la aplicación de recubrimientos en

polímeros, incluyendo el uso de metalización química. Los plásticos metalizados se usan

en la producción de varios instrumentos. El material conductor usado con más frecuencia

es el cobre, con una alta conductividad. Los materiales de este grupo se usan para la

creación de sensores y biosensores y sistemas de monitoreo químico [64].


25

La depositación de metales coloidales en superficies poliméricas presenta el problema de

obtener nanofases funcionales. Los coloides depositados en matrices poliméricas se usan

en diseño de catálisis, compontentes de membranas selectivas, recubrimientos

anticorrosivos, producción de medicamentos, y compositos [65]-[68]

1.6.1.2 Métodos Químicos.

Los métodos químicos son los métodos más populares de fabricación de nanocompuestos.

Estos se caracterizan por la distribución estrecha del tamaño de las nanopartículas, su

relativa simplicidad de control sobre otros métodos de síntesis, y fiabilidad en la

estabilización de las nanopartículas en los sistemas. Los métodos se basan en procesos de

reducción que involucran polímeros, copolímeros, dendrímeros [64].

Los métodos de reducción son considerados como los principales procedimientos para

obtener nanocompositos metal-polímero con diversidad de productos resultantes [64].

1.6.1.3 Métodos Físico-Químicos.

No existe una frontera de diferencia entre los métodos físicos, químicos y físico-químicos

para la producción de nanocompuetos. Puede referirse como un método físico-químico a

los procedimientos durante el cual las nanopartículas metálicas son depositadas en el

polímero, especialmente en una película delgada [64].

Es muy importante conocer los procesos que ocurren en la superficie del polímero durante

la depositación del metal para entender el origen de la interacción y adhesión que se forma

en la interfase [64].

1.7 EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD ANTIMICROBIANA.

1.7.1 Por el método de difusión en placas.

El método de difusión placas se realiza mediante la colocación de un material

antimicrobiano directamente en la superficie de agar. El agente antimicrobiano se

difundirá fuera de la muestra en el agar. Luego del período de incubación se mide el


26

diámetro de la zona de inhibición alrededor de las muestras. El tamaño de la zona de

inhibición es inversamente proporcional a la concentración de inhibición mínima (CIM) de

la bacteria y mediante el uso de tablas de referencias se prepara un reporte cualitativo

(sensible, intermedio o resistente) [65].

1.7.1.1 Categorías interpretativas.

Existen tablas específicas NCCLS las que indican los criterios para interpretar los

diámetros de zonas para categorizar exactamente los niveles de susceptibilidad de los

microorganismos a diferentes agentes antimicrobianos [65].

1.7.1.1.1 Sensible.

La categoría sensible implica que una infección debido a una cepa puede ser propiamente

tratada con la dosis de agente antimicrobiano recomendado para ese tipo de infección y

especie infectante [65].

1.7.1.1.2 Intermedio.

La categoría “intermedio” incluye aislamiento con agentes antimicrobianos con un CIM y

para los cuales su velocidad de respuesta puede ser más lenta que la de los aislamientos

susceptibles. La categoría intermedia implica una dosis mayor que lo normal de un agente

antimicrobiano [65].

1.7.1.1.3 Resistente.

Las cepas resistentes no son inhibidas con la concentración usualmente alcanzable de un

agente de dosificación normal [65].

1.7.2 Por el método de Peterson.

Una variedad de análisis están disponibles para la determinación de la biomasa en muestras

biológicas. Varias de estas metodologías están fundamentadas en la detección específica


27

de los componentes celulares o productos metabólicos. Por ejemplo, la quitina puede ser

cuantificada y debido a que esta molécula es exclusiva de la pared celular de los hongos, la

concentración de quitina puede ser utilizada para estimar la biomasa de los hongos.

Estimados de biomasa pueden obtenerse indirectamente midiendo la concentración de las

proteínas ATP y ADN [69].

El método de Peterson es un método colorimétrico de valoración cuantitativa de las

proteínas. A la muestra se le añade un reactivo que forma un complejo coloreado con las

proteínas, siendo la intensidad del color proporcional a la concentración de proteínas,

según la Ley de Lambert-Beer; A = ε*l*c, donde ε es el coeficiente de extinción molar, l es

el espesor y c es la concentración de la sustancia absorbente [69].

El método de Peterson tiene la ventaja de ser extremadamente sensible, capaz de detectar

cantidades del orden de 10 microgramos de proteína [69].

Este método consta de dos etapas [69]:

1. Los iones Cu+2, en medio alcalino, se unen a las proteínas formando complejos con

los átomos de nitrógeno de los enlaces peptídicos, en presencia de tartrato para evitar la

precipitación. Estos complejos Cu+2-proteína tienen un color azul claro. Además,

provocan el desdoblamiento de la estructura tridimensional de la proteína, exponiéndose

los residuos fenólicos de tirosina que van a participar en la segunda etapa de la reacción.

El Cu+2 se mantiene en solución alcalina en forma de su complejo de tartrato.

2. La reducción, también en medio básico, del reactivo de Folin-Ciocalteau, por los

grupos fenólicos de los residuos de tirosina, presentes en la mayoría de las proteínas,

actuando el cobre como catalizador. El principal constituyente del reactivo de Folin-

Ciocalteau es el ácido fosfomolibdotúngstico de color amarillo, que al ser reducido por los

grupos fenólicos da lugar a un complejo de color azul intenso. El complejo coloreado,

cuya composición es desconocida, presenta dos máximos de absorción a las longitudes de

onda de 560 y 680 nm. La elección de una u otra depende de la concentración proteica de

la muestra estudiada.

Hipótesis

28

HIPÓTESIS

Se plantea como hipótesis de esta tesis la posibilidad de obtener películas plásticas

multicapa en las que, mediante el uso de nanopartículas de plata incorporadas en una de las

capas externas de material higroscópico (PA6) se mejore el desempeño fungicida y

bactericida de la película de empaque mediante la liberación de iones plata que inhiban su

crecimiento. Se parte del conocimiento de que un material higroscópico permite más

fácilmente la difusión de la humedad, la cual es indispensable para una buena liberación de

iones plata. Estas películas tendrían un alto potencial de aplicación en empaque de

productos sensibles al ataque de microorganismos y que permitirían alargar el tiempo de

vida útil en anaquel del producto empacado mediante su protección contra los efectos

ambientales.

Objetivos

29

OBJETIVOS

El objetivo general del presente trabajo, es estudiar el efecto del uso de nanopartículas de

plata localizada en una de las capas de material higroscópico (PA6) de un sistema

multicapa, sobre las propiedades mecánicas, ópticas y características fungicidas y

bactericidas. Este estudio pretende analizar el efecto de la concentración, dispersión y

método de aplicación de las nanopartículas de plata sobre las características antes

mencionadas.

Capítulo 2. Desarrollo Experimental

30

CAPITULO 2. DESARROLLO EXPERIMENTAL

2.1 MATERIALES Y SOLVENTES.

2.1.1 Polímeros para elaborar la película multicapa.

En la Tabla 3 se enlistan los materiales usados para la elaboración de la película multicapa

coextruida. Todos los materiales fueron secados previamente a 80ºC durante 4 horas.

Tabla 3. Materiales empleados para elaborar la película multicapa.

2.1.2 Nanopartículas de plata.

Las nanopartículas de plata usadas en este trabajo fueron sintetizadas por Nanostructured

& Amorphous Materials Inc. El producto final es un polvo de nanopartículas de plata

dentro de una matriz de polivinilpirrolidona (PVP), el cual previene la aglomeración

durante su síntesis. El polvo de nanopartícula tiene un 99.9 % de pureza, un diámetro

promedio de 10 nm, un área específica superficial de 9-11 m2/g y su morfología es

esférica.

2.1.2.1 Medición del tamaño de partícula.

El tamaño de partícula fue determinado del ancho medio del pico más intenso del patrón de

difracción, usando la ecuación de Scherrer [70]:

Nombre Proveedor Densidad,

g/cm3

Índice de

Fluidez, g/10

min

Punto de

Fusión, ºC

Absorción de

agua, 24 h, 20ºC.

Poliamida 6

(PA6)

TEBENYL-6 3100

LU NAT 1.13 220 9 %

Polietileno Lineal

de Baja Densidad

(LLDPE)

DOWLEX 2045 0.92 1.0 122 0 %

Adhesivo

(PEgAM)

FUSABOND E

MB226DE 0.93 1.75 120


31

Ecuación 5

Donde L es el tamaño promedio de partícula, β es el ancho total a la mitad de los picos de

difracción, θ es el ángulo de difracción, λ es la longitud de radiación del CuKα (0.1540

nm), y κ es una función de forma la cual tiene un valor de 0.89.

2.1.3 Agentes de acoplamiento.

Se utilizó Anhidrido Itacónico (AI) y Anhídrido Maleico (AM) como agentes de

acoplamiento para lograr una mayor adhesión de la nanopartícula de plata en la matriz

polimérica. Las propiedades y especificaciones de dichos agentes se resumen en la tabla 4.

Tabla 4. Propiedades Físicas de los Agentes de Acoplamiento.

Nombre Proveedor Fórmula

Lineal

Peso

Molecular,

g/mol

Punto de

ebullición, ºC

Punto de

Fusión, ºC

Solubilidad

en agua

Anhídrido

Itacónico

ALDRICH C5H4O3 112.08 114 67-69 Hidroliza

Anhídrido

Maleico

ALDRICH C4H2O3 98.1 202 52.85 Hidroliza

2.1.4 Solventes (Agentes Dispersantes).

Se utilizaron dos solventes como agentes de dispersión para preparar la solución coloidal

de plata que son ácido fórmico y etilenglicol. Las propiedades de cada uno de ellos se

presentan en la Tabla 5.

Tabla 5. Propiedades Físicas de los Agentes Dispersantes.

Nombre Proveedor Fórmula

Lineal

Peso molecular,

g/mol

Punto de

ebullición, ºC

Punto de

fusión, ºC

Solubilidad

en agua

Ácido

Fórmico

ALDRICH CH2O2 46 100.7 8.4 Miscible

Etilenglicol ALDRICH C2H6O2 62.07 197.1 Miscible


32

2.2 EQUIPO E INSTRUMENTACIÓN.

2.2.1 Elaboración de película multicapa.

Extrusor BETOL.

Extrusor KILLION KL-100.

2.2.2 Pruebas biológicas.

Medidor de ion 510 de mesa OAKTON.

Autoclave INVENSYS.

Incubadora con agitación LAB-LINE instruments.

Centrifugadora BECKMAN y EPPENDORF 5415.

Espectrofotómetro UV GENESYS.

Sonificador COLE PARMER.

2.2.3 Caracterización.

Difractómetro de Rayos X SIEMENS Modelo D-500.

Análisis de infrarrojo, espectrómetro IR NICOLET MAGNA 500.

Microscopio electrónico de barrido de emisión de campo JOEL JSM-7401.

Máquina universal de ensayos mecánicos UNITED CCF-45 INSTRON.

Espectrofotómetro de absorción atómica VARIAN SPECTRO.

Medidor propiedades ópticas GARDNER COMPANY.

2.3 REACTIVOS PARA PRUEBAS ANTIMICROBIANAS.

2.3.1 Reactivo A.

0.75 g Dodecil sulfato de sodio (SDS).

15 ml Agua destilada.

7.5 ml Hidróxido de sodio (NaOH) al 0.8 N.

7.5 ml Reactivo B.


33

2.3.2 Reactivo B.

3.75 ml Carbonato de sodio (Na2CO3) al 20%.

0.75 ml tartrato de sodio y potasio al 2%.

0.75 ml Sulfato de cobre II (CuSO4) al 1%.

2.25 ml Agua destilada.

2.3.3 Reactivo de Folin-Ciocalteu.

Dilución 1:5 en agua.

2.4 MEDIOS DE CULTIVO.

1. Medio Agar Dextrosa y Papa (PDA) BD DIXON.

2. Medio de Papa Dextrosa (CDP) DIFCO.

3. Caldo Nutritivo BD DIXON.

2.5 MICROORGANISMOS UTILIZADOS.

Para la evaluación de la actividad antimicrobiana del nanocompuesto, se utilizaron las

cepas Aspergillus Niger ATCC 6275 y Pseudomonas aeruginosa ATCC 13338.

2.6 EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD ANTIMICROBIANA.

El efecto antimicrobiano de película multica con y sin recubrimiento de nanopartícula de

plata se evaluó en base a la norma ASTM E 2149-01.

2.6.1 Método de difusión en placa.

En el método de difusión en placa, el Aspergillus Niger es sembrado en la superficie del

medio de cultivo de una caja de Petri, de modo que se consiga una cepa de crecimiento

abundante. El método se considera un análisis cualitativo.


34

2.6.1.1 Preparación del medio de cultivo sólido.

1. Se colocan 3.9 g del polvo en 100 ml de agua destilada. Se mezcla perfectamente y

se calienta con agitación frecuente. Se deja hervir durante 1 minuto o hasta dilución

completa.

2. Se esteriliza el medio a 121ºC por º5 minutos.

3. Inmediatamente después de esterilizar en autoclave, se deja enfriar.

4. Verter aproximadamente 30 ml del medio fresco y tibio a una placa Petri de vidrio

o plástica.

5. Se deja enfriar el medio a temperatura ambiente, y a menos que la placa se use el

mismo día, debe guardarse en refrigerador (2-8ºC).

2.6.1.2 Inoculación de las placas.

1. Se siembra por rayado sobre la superficie de una placa de agar papa dextrosa

(PDA), rotando la placa aproximadamente 60º cada vez para asegurar una distribución

constante del microorganismo.

2. Las tapas de la placa se dejan entreabiertas por 3 a 5 minutos, pero no más de 15

minutos, para permitir que un exceso de humedad de la superficie se absorba antes de

aplicar la muestra que contiene nanopartículas de plata.

2.6.1.3 Aplicación de la muestra a las placas inoculadas.

1. Las muestras se colocan sobre la superficie del medio sólido. Cada muestra se

presiona para asegurar contacto pleno con la superficie del medio sólido. Ya sea que la

muestra se ponga individualmente o colocar varias distribuidas en forma constante.

Debido a que el agente antimicrobiano se difunde casi instantáneamente, una muestra no

debe ser relocalizada una vez que haya estado en contacto con la superficie del medio

sólido.

2. Las placas son invertidas y puestas en un incubador a 28ºC una vez aplicadas las

muestras. Las placas no se deben incubar en un ambiente de CO2 porque los estándares de

interpretación fueron desarrollados usando aire ambiente y el CO2 alterará

significativamente el tamaño de las zonas de inhibición de algunos agentes.

Todas las muestras se realizaron por triplicado


35

2.6.1.4 Lectura de las placas e interpretación de los resultados.

1. Después de 48 a 72 horas de incubación, cada placa es examinada. Las zonas de

inhibición resultantes deben ser uniformemente circulares en una capa homogénea de

crecimiento. Los diámetros de la zona de inhibición son medidos en mm, pasando por el

centro de la muestra.

2. El margen de las zonas debe ser tomada como el área donde no se observa

crecimiento visible. Un crecimiento de pequeñas colonias, las que se detectan con lente de

aumento al borde de la zona de crecimiento inhibido, son ignoradas. Sin embargo,

colonias discretas creciendo dentro de la zona clara de inhibición deben ser identificadas y

probadas nuevamente.

3. Los tamaños de las zonas de inhibición son interpretados en las Tablas NCCLS

para ser informado como susceptible, intermedio o resistente a los antimicrobianos que se

han probado.

2.6.2 Método de cultivo líquido.

Este medio de cultivo se utilizó para la propagación del hongo Aspergillus Niger por

agitación, obteniéndose el micelio con el cual se realizaron las pruebas. Este medio se

considera un análisis cuantitativo

2.6.2.1 Procedimiento Experimental.

1. Se colocan 2.5 g del polvo en 100 ml de agua destilada. Se mezcla perfectamente y

se calienta con agitación frecuente. Se deja hervir durante 1 minuto o hasta disolución

completa.

2. Se esteriliza el medio a 121ºC por 15 minutos.


4. Se inocula con 1.0 ml de la suspensión de esporas del hongo y se mantiene a 37ºC

con velocidad de agitación moderada durante 72 horas.

5. Al finalizar el período de crecimiento, el caldo de cultivo se separó por filtración

obteniendo la biomasa micelar y el filtrado. Posteriormente, se reportó la biomasa micelar

en peso seco.

6. Se hace el cálculo del porcentaje de inhibición según la fórmula:


36

% ó 100 % Ecuación 6

Donde: B es el peso de la biomasa para la muestra de referencia (sin recubrimiento de

nanoparticula de plata) y A es el peso de la biomasa para el nanocompuesto estudiado. La

biomasa se reporta en peso seco. Todos los experimentos se realizaron por triplicado.

2.6.3 Determinación de proteínas por el método de Peterson.

En esta sección se explicará la determinación de la concentración de proteínas asociada a la

biomasa bacteriana de Pseudomonas aeruginosa utilizando el método de Peterson. Este

proceso se basa en la reacción de las proteínas con el reactivo Folin, posterior a un

tratamiento alcalino de cobre. La intensidad azul que se desarrolla es proporcional a la

concentración de proteínas en la muestra (Figura 11).

Figura 11. Método de Peterson[69].

Dado que este método da resultados variables se requiere una curva de calibración a partir

de una solución patrón de albúmina. La concentración que tienen las muestras problema se

determina por interpolación de los valores de absorbancia en la curva patrón.

2.6.3.1 Procedimiento Experimental.

1. Se colocan 0.9 g del medio de cultivo en 100 ml de agua destilada. Se mezcla

perfectamente y se calienta con agitación frecuente. Se deja hervir durante 1 minuto o

hasta dilución completa.

2. Se esteriliza el medio a 121ºC por º5 minutos.



37

4. Se inocula con 1.0 ml de la suspensión de esporas de la bacteria y se mantiene a

37ºC con velocidad de agitación moderada durante 24 horas.

5. Después de 24 horas, se extrae 1 ml del medio de cultivo y se coloca en viales.

6. Los viales se enfrían en un baño de agua entre 60-65ºC durante 20 minutos.

7. Inmediatamente después se colocan en una centrifugadora a una velocidad de

10,000 rpm durante 30 minutos para obtener el sobrenadante y reconstituir con 1 ml de

buffer acetato (pH = 4.5).

8. Se prepara un blanco agregando 1 ml de buffer acetatos (pH = 4.5).

9. Se preparan las mezclas A y B y se mezclan en el momento de que se van a usar.

10. Se añade 1 ml de la mezcla A+B a cada tubo (blanco y muestras).

11. Se agitan los tubos y se deja reposar por 10 minutos.

12. Se añade 0.5 ml del reactivo Folin a cada tubo. Se agita y se deja reposar por 30

minutos para que así se desarrolle completamente la reacción coloreada.

13. Se leen las absorbancias en el espectrofotómetro a 750 nm. Previamente el aparato

se ajusta a Absorbancia = 0 con el blanco, de esta forma sólo se mide el color producido

por las proteínas, puesto que resta el color debido a los reactivos.

2.7 DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DEL AGENTE BIOCIDA

(IONES DE PLATA).

Para poder analizar una sustancia por técnicas potenciométricas (aniones, cationes,

inorgánicos y orgánicos), la sustancia o alguno de sus posibles complejos, debe ser

electroactiva dentro del rango de trabajo. A continuación se explican los pasos que deben

seguirse para la determinación de la concentración de los iones de plata.

2.7.1.1 Inmersión del nanocompuesto PA6/Ag en medio acuoso para la liberación de Ag+

Se sumergen tres nanocompuestos PA6/Ag, con un área de 2.4 cm2 cada uno, en un matraz

Erlenmeyer con un volumen total de 300 ml de un medio acuoso. Al tercer día, sexto,

noveno, doceavo y catorceavo día de inmersión del nanocompuesto en el medio acuoso, se

extrae una cantidad de analito (50 ml) del matraz Erlenmeyer y se coloca en un vaso de

precipitado para evaluar la concentración de iones de plata liberados. Por tanto, la

concentración de iones de plata se determinará a distintos tiempos.


38

2.7.1.2 Preparación previa del analito para la medición de Ag+

A cada vaso de precipitado, con el analito obtenido (50 ml), se le agrega 1 ml de un

ajustador de fuerza iónica (ISA). Un ajustador de fuerza iónica (ISA), es una disolución de

fuerza iónica elevada que no interfiere con la muestra y que iguala la fuerza iónica de las

muestras y de las soluciones patrón. Se mide el potencial del analito mediante un

potenciómetro para posteriormente, mediante una ecuación obtenida de la calibración del

potenciómetro, determinar la concentración de iones de plata liberados.

2.7.1.3 Calibración del potenciómetro.

Las curvas de calibración (Figura 12) representan gráficamente el potencial del electrodo

(mV) frente a concentraciones conocidas de soluciones patrón en soluciones logarítmica,

ya que los electrodos responden logarítmicamente a los cambios de concentración. Las

concentraciones de las soluciones patrón corresponden a 1, 10 y 100 ppm de AgNO3.

Figura 12. Curva de calibración para el potenciómetro.

De la calibración del equipo (Figura 12) es posible obtener una regresión lineal de la

forma: y = mx + b donde: y en mV, es el potencial medido por el equipo para el analito

estudiado (que corresponde al nanocompuesto de interés) y x en log (concentración, ppm),

es la concentración de iones de plata y por tanto, para obtener la concentración de iones de

plata en ppm se realiza 10^x.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0280

300

320

340

360

380

400

420

440

mV

Log (concentracion AgNO3 ), ppm


39

Es importante mencionar que la cinética de liberación de iones de plata para el

nanocompuesto de interés corresponde a una curva acumulativa.

2.8 ELABORACIÓN DE PELÍCULA MULTICAPA.

En la Tabla 6 se muestran las condiciones experimentales del extrusor monohusillo para la

elaboración de la película polimérica. La velocidad de jalado es de 2 m/min.

Tabla 6. Condiciones de los extrusores para elaborar película multicapa.

La estructura multicapa elaborada consta de tres capas con un espesor total de 40 μ. En las

capas superficiales se encuentra la poliamida 6 (PA6) de un extremo y del otro el

Polietileno (PE), mientras que el adhesivo es el polietileno maleatado (PEgAM). Los

espesores de la película multicapa se muestra en la Figura 13:

Figura 13. Estructura de la película multicapa.

La película multicapa coextruída de la Figura 13 fue usada como substrato para la

impregnación de la nanoparticula de plata por diferentes métodos.

Resina Modelo

Extrusor Perfil de Temperaturas (ºC) Velocidad Husillo

(rpm) Zona1 Zona2 Zona3 Zona4 Poliamida 6 Killion KL-100 220 240 255 255 18 Adhesivo

(PEgAM) Betol 145 150 185 185 10

Polietileno Killion KL.100 129 150 165 185 19.9

PA6 (15.24 μ)

PEgAM (5.08 μ)

PE (20.32 μ)


40

2.9 MÉTODOS PARA LA ELABORACIÓN DE NANOCOMPUESTOS

PA6/PLATA.

Se llevaron a cabo tres técnicas para la impregnación de nanopartícula de plata en la matriz

polimérica: inmersión, aspersión e impregnación en ultrasonido. Las características de

cada método se resumen a continuación:

2.9.1 Inmersión.

Como se observa en Figura 14 la técnica consiste en sumergir la película multicapa durante

3 minutos en la solución coloidal de plata (con las nanoparticulas de plata dispersadas con

ultrasonido) y posteriormente colocarla en una superficie plana para lograr la evaporación

de los solventes.

Figura 14. Técnica de Inmersión.

2.9.2 Aspersión.

Consiste en esprear la solución coloidal de plata (se le aplicó ultrasonido para dispersar

homogéneamente la nanopartícula en la solución) en la película polimérica, buscando que

las burbujas formadas en la película sean pequeñas y uniformes, como se observa en la

Figura 15. Las condiciones a las cuales se llevó a cabo la aspersión se encuentran en el

Apéndice.


41

Figura 15. Técnica de aspersión

2.9.3 Impregnación en ultrasonido.

La técnica consiste en colocar la matriz polimérica en la solución coloidal, en el momento

en que se encuentra dispersando en el ultrasonido, durante 15 minutos. Con esta técnica se

espera que la concentración de plata adherida a la superficie de la película se vea favorable

por la energía proporcionada por el sonificador.

Figura 16. Técnica por ultrasonido.

2.10 ELABORACIÓN DE SOLUCIONES COLOIDALES DE PLATA.

Para impregnar la nanopartícula en la matriz polimérica mediante los tres métodos

mencionados anteriormente, fue necesaria la elaboración de soluciones coloidales de plata.

En nuestro estudio, se realizaron soluciones usando como solventes (agentes dispersantes)

el ácido fórmico y el etilenglicol y añadiendo agentes de acoplamiento (anhídrido itacónico


42

o anhídrido maleico) con el fin de lograr una mayor impregnación de la nanopartícula al

substrato. Las características de las soluciones preparadas se mencionan a continuación:

2.10.1 Ácido Fórmico como agente dispersante.

Se prepararon soluciones coloidales de plata con Ácido Fórmico/Agua en una relación

(50/50) v/v%. A esta solución se añadió como agente de acoplamiento el Anhídrido

Maleico con una concentración del doble que la concentración de plata. La concentración

de plata empleada fue de 0.2 y 0.9 wt% con respecto al Ácido Fórmico. Para lograr la

dispersión de las nanoparticulas de plata en la solución coloidal se aplicó ultrasonido

durante 15 minutos a una intensidad de 150 W. La temperatura alcanzada por la solución

durante la aplicación del ultrasonido fue de 30ºC.

2.10.2 Etilenglicol como agente dispersante.

Se prepararon soluciones de Etilenglicol/Agua en una relación volumen de (1:10) v/v% y

añadiendo dos tipos de agente de acoplamiento (Anhídrido Itacónico o Anhídrido

Maleico). La concentración de nanopartícula de plata fue de 0.2, 0.8 y 1.2 wt% con

respecto al agente dispersante (etilenglicol). La concentración del agente de acoplamiento

fue de 1.0, 2.5 y 3.5 veces más que la concentración de la plata. Para lograr la dispersión

de la nanoparticula en la solución coloidal se aplicó ultrasonido durante 15 minutos a una

intensidad de 150 W. Se analizó dos temperaturas de la solución coloidal al dispersarla

mediante ultrasonido que son 25 y 60ºC con el fin de estudiar el efecto en el tamaño de la

nanoparticula y por tanto, en la eficacia antimicrobiana

Uno de los objetivos importantes fue encontrar las mejores condiciones en la preparación

de la solución coloidal. Para ello fue necesario estudiar diversos parámetros (tipo de

solvente a usar, concentración de nanopartícula y agente de acoplamiento) con el fin de

obtener concentraciones del agente biocida dentro del rango de eficacia antimicrobiana

(cuando se elabore el nanocompuesto PA6/Ag). Por tanto, el desarrollo experimental se

divide en dos secciones: pruebas preliminares y pruebas finales. En las pruebas

preliminares se estudiaron las mejores condiciones para la elaboración de las soluciones

coloidales de plata. Las pruebas finales se llevaron a cabo para estudiar los métodos de


43

impregnación que permitan obtener concentraciones del agente biocida dentro del rango de

eficacia antimicrobiana y por tanto, un mayor efecto de inhibición en el crecimiento de

microorganismos. Las pruebas finales se realizaron considerando los resultados obtenidos

de las pruebas preliminares.

2.11 PRUEBAS PRELIMINARES PARA LA ELABORACIÓN DEL

NANOCOMPUESTO PA6/Ag.

Como ya se mencionó, el objetivo de las pruebas preliminares fue estudiar diversos

parámetros para obtener las mejores condiciones en la elaboración de la solución coloidal

de plata. Por tanto, las soluciones coloidales descritas en la sección 2.10 se usaron para

elaborar nanocompuestos únicamente por el método de aspersión.

En la Tabla 7 se muestran las características de los nanocompuestos elaborados a partir de

las soluciones coloidales descritas en la sección 2.10.1, usando como agente dispersante el

ácido fórmico.

Tabla 7. Nanocompuestos con Ácido Fórmico como agente dispersante.

Muestra F1

Ácido Fórmico /Agua

Ag (0.2 wt%)

Muestra F3

Ácido Fórmico/Agua

Ag (0.2 wt%)

Anhídrido Maleico

Muestra F2


Ag (0.9 wt%)

Muestra F4


Ag (0.9 wt%)

Anhídrido Maleico

De la Tabla 7, los nanocompuestos F1 y F2 se elaboraron sin el uso del agente de

acoplamiento (anhídrido maleico) con el objetivo de conocer el efecto del agente de

acoplamiento en la concentración de los iones de plata liberados.

En la Tabla 8, se muestran las características de los nanocompuestos elaborados por el

método de aspersión usando las soluciones coloidales descritas en la sección 2.10.2,


44

usando como agente dispersante el etilenglicol y con una concentración del agente de

acoplamiento de 2.5 veces más que la concentración de plata.

Tabla 8. Nanocompuestos con Etilenglicol como agente dispersante.

En la Tabla 8, a las muestras EG-4, EG-5 y EG-6 se les varío el contenido del agente de

acoplamiento a una concentración de 1.0 y 3.5 veces más que la concentración de plata,

con el fin de optimizar la concentración del agente de acoplamiento.

2.12 PRUEBAS FINALES PARA LA ELABORACIÓN DEL

NANOCOMPUESTO PA6/Ag.

Estas pruebas consisten en analizar el efecto de la técnica de impregnación de

nanopartícula de plata (inmersión, aspersión y por ultrasonido) en la liberación de iones de

plata, de acuerdo a los resultados obtenidos de las pruebas preliminares.

Las características de los nanocompuestos elaborados en las pruebas finales y empleando

Etilenglicol como agente dispersante se presentan en la Tabla 9.

Muestra EG-1 EG/H2O (1:10) Ag (0.2 wt%)

Anhídrido Itacónico Temperatura Ambiente






Anhídrido Maleico Temperatura Ambiente






Anhídrido Itacónico Solución a 60ºC






45

Tabla 9. Muestras con impregnación de plata por el método de inmersión, aspersión e impregnación en ultrasonido.

2.13 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN.

2.13.1 Caracterización Fisicoquímica.

2.13.1.1 Análisis de Difracción de Rayos X de Ángulo Amplio (WAXD).

El patrón de difracción de la nanopartícula de plata se obtuvo en un difractometro de

Rayos X Siemens Modelo D-500 con un generador de radiación de CuKα sin filtro de Ni.

Los difractogramas se corrieron en 2θ de 10º a 80º, con una intensidad de 25 mA y un

voltaje de 35kV.

2.13.1.2 Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR).

Esta técnica se utilizó con la finalidad de identificar los grupos funcionales presentes en las

resinas empleadas para la elaboración de la película multicapa. Los análisis de infrarrojo

se realizaron en un espectrómetro IR Nicolet Magna 500.

Inmersión Aspersión Impregnación en ultrasonido

Muestra (M1-i) EG/H2O (1:10) Ag (0,8 wt%)


Muestra (M1-a)EG/H2O (1:10) Ag (0,8 wt%)


Muestra (M1-u) EG/H2O (1:10) Ag (0,8 wt%)







Anhídrido Itacónico Temperatura a 60ºC.


Anhídrido Itacónico Temperatura a 60ºC


46

2.13.2 Caracterización morfológica.

2.13.2.1 Microscopía Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (FESEM).

Esta técnica es una de las más adecuadas para proporcionar información química,

estructural y morfológica a nivel nanometrico o atómico. A diferencia del Microscopio

Electrónico de Transmisión (TEM) en donde se utiliza un haz de electrones paralelo

estacionario para formar las imágenes, en FESEM se emplea un dispositivo de mapeo. El

equipo realiza un escaneo bidimensional de la muestra; las señales generadas de la muestra

son detectadas, amplificadas y utilizadas para modular la brillantez de un haz de electrones

secundarios que es escaneado a la par con el mapeo de electrones del FESEM a través de

un dispositivo de un tubo de rayos catódicos (CRT). Cada punto leído de la muestra

corresponde a un pixel reflejado en una pantalla. Para determinar la morfología de los

nanocompuestos, se utilizó un microscopio electrónico de barrido con módulo de

transmisión JOEL JSM-7401.

2.13.3 Caracterización Mecánica.

2.13.3.1 Tensión-Elongación.

Estas pruebas se realizaron con el objetivo de determinar el comportamiento

fisicomecánico de los nanocompuestos y compararlo con las resinas vírgenes. Para ello se

utilizaron probetas de acuerdo a la norma ASTM D-882, las cuales se acondicionaron

durante 24 horas a 23 ºC, con humedad controlada. El equipo utilizado fue una máquina

universal de ensayos mecánicos UNITED CCF-45 INSTRON, con una celda de 5 N y

mordazas especiales para probetas estandarizadas. La velocidad de prueba fue de 20

in/min. Para determinar el % de elongación, se utilizó un extensómetro manual.

2.13.4 Propiedades Ópticas.

A las películas se les evaluó las propiedades ópticas de % de transmitancia de la luz visible

como indicador del grado de opacidad alcanzado, utilizando un equipo de medición HAZE

GARD PLUS.


47

2.13.5 Espectrofotometría de absorción atómica.

El espectrofotómetro de absorción atómica utilizado es VARIAN SPECTRO, modelo

AA250-PLUS. La absorción atómica es una técnica de análisis cuantitativo que permite

determinar el contenido de metal presente en una muestra. Por tanto, se cuantificó la

concentración de nanopartícula de plata impregnado en la matriz polimérica.

La técnica de absorción atómica en flama en una forma concisa consta de lo siguiente: la

muestra en forma líquida es aspirada a través de un tubo capilar y conducida a un

nebulizador donde ésta se desintegra y forma un rocío o pequeñas gotas de líquido.

Las gotas formadas son conducidas a una flama, donde se produce una serie de eventos que

originan la formación de átomos. Estos átomos absorben cualitativamente la radiación

emitida por la lámpara y la cantidad de radiación absorbida está en función de su

concentración.

La señal de la lámpara una vez que pasa por la flama llega a un monocromador, que tiene

como finalidad el discriminar todas las señales que acompañan la línea de interés. Esta

señal de radiación electromagnética llega a un detector o transductor y pasa a un

amplificador y por último a un sistema de lectura.

Capítulo 3. Discusión de Resultados

48

CAPITULO 3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

3.1 CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS.

Con la finalidad de obtener las características principales de los materiales que se usaron

para la elaboración de la película coextruida usada como substrato para la deposición de las

nanopartículas de plata, se caracterizaron los polímeros base: Poliamida 6, Polietileno

lineal de baja densidad y el adhesivo (PEgAM). Así mismo, se presentan las

características principales de las nanopartículas de plata utilizadas.

3.1.1 Poliamida 6.

3.1.1.1 Propiedades de Barrera.

Las propiedades de barrera al oxígeno y vapor de agua de la película se presentan en la

Tabla 10. Como se puede observar, el PA6 es uno de los materiales más impermeables al

oxígeno, presentando valores de transmisión a este gas considerablemente bajos, si se

compara con el polietileno (PE).

Tabla 10. Propiedades de Barrera del Nylon 6.

Por otro lado, se puede apreciar en la Tabla 10 que los valores de transmisión del vapor de

agua son relativamente elevados para estas resinas, lo cual se explica por su naturaleza

polar y altamente higroscópica.

3.1.1.2 Estructura química.

El espectro infrarrojo del Nylon 6 (PA6) se presenta en la Figura 17. Como se puede ver,

se aprecian las bandas características del estiramiento de los grupos N-H asimétrico y

Propiedad Unidades PA6 PE

Permeabilidad al O2 cm3 mm/(m2d) 4.8 ± 0.4 88 ± 1

Trans. Vapor de Agua g mm / m2 d 3.0 ± 0.5 0.3 ± 0.02


49

4000 3000 2000 10000

20

40

60

80

100

% T

rans

mita

ncia

Longitud de onda (cm-1)

NH

CH

C=O de amida I

Amida II

simétrico a 3298 cm-1 y 3070 cm-1 respectivamente, las bandas del estiramiento C-H

alifático en la región de 2927-2857 cm-1 y la banda correspondiente al estiramiento del

grupo C=O de la amida I cerca de 1640 cm-1 y la banda de la amida II cerca de 1544 cm-1.

Figura 17. Espectro infrarrojo del Nylon 6.

3.1.2 Polietilenos.

3.1.2.1 Propiedades de Barrera.

Las propiedades de barrera al oxígeno y al vapor de agua de las películas de Polietileno

(PE) y del Polietileno modificado (PEgAM) usado como adhesivo, se presentan en la Tabla

11.

Como se puede observar en la Tabla 11, los polietilenos utilizados presentan altos valores

de permeabilidad al oxígeno.


50

Tabla 11. Propiedades de Barrera de Polietilenos

Propiedad Unidades PE PEgAM

Permeabilidad al O2 cm3 mm/(m2d) 88 ± 1 95 ± 1

Trans. Vapor de Agua g mm / (m2 d) 0.3 ± 0.02 0.43 ± 0.02

Por otro lado, los valores de permeación al vapor de agua para estos polietilenos son

notablemente bajos comparados con los de las resinas PA6, siendo ésta una razón por la

que las poliolefinas por su carácter no-polar, son ampliamente utilizadas como capas de

barrera al vapor de agua. Por otro lado, los valores de permeación al vapor de agua para

estos polietilenos son notablemente bajos comparados con los de las resinas PA6, siendo

ésta una razón por la que las poliolefinas por su carácter no-polar, son ampliamente

utilizadas como capas de barrera al vapor de agua. Así mismo, se aprecia que los valores

de permeabilidad del LLDPEgMA son ligeramente mayores respecto al PE, lo cual

probablemente está relacionado con las diferencias en cristalinidad y polaridad entre estos

dos polímeros.

3.1.2.2 Estructura química.

La Figura 18 presenta el espectro infrarrojo del PE utilizado donde se observan las bandas

características de los grupos CH2 cerca de 1460 cm-1, los grupos CH2 de cadena larga en

725 cm-1. Por otro lado se puede observar en este espectro la nula señal de la banda

correspondiente a los grupos carbonilo (C=O) entre 1700 y 1710 cm-1 lo cual indica que

este es un polietileno virgen no degradado y sin alguna modificación química.


51

Figura 18. Espectro infrarrojo del PE.

En la Figura 19 se presenta el espectro infrarrojo del Adhesivo (PEgAM). Además de las

bandas descritas del Polietileno Lineal (Figura 18), en el espectro aparecieron bandas a

1791 y 1712 cm-1, características de diferentes vibraciones presentes en los anhídridos

cíclicos.

4000 3000 2000 10000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

% T

rans

mita

ncia

Longitud de onda (cm-1)


52

Figura 19. Espectro infrarrojo del PEgAM

3.2 CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS.

3.2.1 Morfología de la nanopartícula de plata.

Las nanopartículas de plata usadas en este trabajo se adquirieron con un recubrimiento de

polivinilpirrolidona (PVP), la cual previene la aglomeración de las nanopartículas. El

tamaño de partícula promedio especificado por el proveedor es de 10 nm, donde se observa

en la Figura 20 un tamaño de partícula dentro del intervalo de tamaños reportados.

Figura 20. Fotografía de la morfología de la nanopartícula de plata.

4000 3000 2000 10000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% T

rans

mita

ncia

Longitud de onda cm-1

100 nm


53

3.2.2 Difracción de rayos X de nanopartículas de plata.

El patrón de difracción de rayos X fue utilizado para examinar la estructura cristalina de

las nanopartículas de plata que se usaron. En la Figura 21 se observa el patrón de

difracción para las nanopartículas de plata de 10 nm, este análisis es desarrollado para

confirmar la identidad del producto.

Figura 21. Patrón de difracción de las nanopartículas de plata.

Los picos característicos de las nanopartículas de plata aparecen en 38.1º, 44.3º, 64.4º y

77.4º, que corresponde a planos cristalinos (111), (200), (220) y (311) de la plata. Las

nanopartículas de plata contienen planos con una alta densidad de átomos, tal como (111)

el cual es conocido por ser altamente reactivo.

La intensidad y el pico definido sugieren que las nanopartículas de plata son altamente

cristalinas en su estructura de nanoescala.

El tamaño promedio de la partícula de plata, de acuerdo a la ecuación de Scherrer

(ecuación 5) es de 20 nm. Aunque existe una diferencia significativa entre el tamaño de

partícula proporcionada por el proveedor (Figura 20) y el calculado por la ecuación de

10 20 30 40 50 60 70 800

500

1000

1500

2000

2500

3000

(311

)

(220

)(200

)(1

11)

Inte

nsid

ad (a

.u)

2θ


54

Scherrer, es importante mencionar que el tamaño obtenido por la ecuación es un valor

aproximado.

3.3 PRUEBAS PRELIMINARES. SELECCIÓN DEL MEDIO DE DISPERSIÓN,

CONCENTRACIÓN DE NANOPARTÍCULA DE PLATA Y DE AGENTE DE

ACOPLAMIENTO.

3.3.1 Liberación de iones de plata.

A los nanocompuestos elaborados usando las solución coloidales con ácido fórmico y

etilenglicol (Tabla 7 y Tabla 8) se les cuantificó la concentración de iones de plata

liberados, para encontrar las mejores condiciones en cuanto a concentración de

nanopartícula y agente de acoplamiento, que permitan obtener concentraciones del agente

biocidad dentro del rango de eficacia antimicrobiana (0.1 ppb) [59]. La concentración de

iones de plata liberados del nanocompuesto PA6/Ag fue medido por potenciometría, el

cual es ampliamente usado para la detección de iones de plata en medio acuoso.

3.3.1.1 Ácido Fórmico como agente dispersante.

En la Figura 22, se observa la cinética de liberación de iones de plata para las muestras con

impregnación de plata por la técnica de aspersión y con ácido fórmico como agente

dispersante. La concentración de nanopartícula empleada es de 0.2 y 0.9 wt% sin la

presencia de agente de acoplamiento (anhídrido maleico).

Para el caso de las muestras sin la presencia de anhídrido maleico como agente de

acoplamiento (Figura 22), se puede observar que la muestra con 0.9 wt% de plata libera

mayor concentración de iones de plata que la muestra con 0.2 wt%. Por tanto, a mayor

contenido de nanopartícula de plata, se tendrá una mayor concentración de iones de plata

liberados.


55

Figura 22. Cinética de liberación de iones de plata con 0.2 y 0.9 wt% de concentración de plata en Ácido Fórmico como agente de dispersión

Además, es posible observar para la muestra con 0.9 wt% de plata que para el día 6

disminuyó la concentración de iones liberados. Sin embargo, para el día 9 experimenta un

incremento en la concentración de iones liberados y proseguirá con un incremento hasta el

día 12 del tiempo de inmersión. Este comportamiento se cree que es debido a que en los

primeros días de inmersión del nanocompuesto en el medio acuoso, las nanopartículas de

plata localizadas en la superficie se disuelven y liberan iones de plata pero al no haber más

cantidad de nanoparticulas en la superficie, los iones liberados disminuyen (día 6). Sin

embargo, para el día 9 la matriz polimérica es plastificada por acción del agua logrando

que las partículas localizadas en el interior de ésta se difundan a la superficie y libere iones

de plata. Así, la concentración para el día 9 aumenta considerablemente. El mismo

comportamiento es explicado para el nanocompuesto con 0.2 wt % de plata pero la

concentración de iones liberados es menor.

En la Figura 23 se observa la cinética de liberación de iones de plata para las muestras con

impregnación de nanoparticula de plata por aspersión usando una solución coloidal en

ácido fórmico y con anhídrido maleico como agente de acoplamiento.

0 3 6 9 12 15

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

Conc

entr

ació

n Ag

+ (p

pm/cm

2 )

Tiempo liberacion (Dias)

Ag (0.2 wt%) Ag (0.9 wt%)


56

Figura 23. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Maleico (AM) como agente de acoplamiento y con 0.2 y 0.9 wt% de concentración de plata en Ácido Fórmico como agente de dispersión

Se puede observar en la Figura 23 que la muestra con 0.2 wt% de plata libera menor

concentración de iones de plata que la muestra con 0.9 wt% de plata. Además, es posible

observar que la concentración de iones de plata que liberan las dos muestras es mucho

mayor que aquellas sin agente de acoplamiento (anhídrido maleico) (Figura 22). Para la

muestra con 0.9 wt% de plata y con anhídrido maleico, la curva de cinética de liberación

de iones es creciente, siendo de 0.0097 ppm al inicio del análisis (día 3) y de 0.054 ppm

para el día último (día 14). Además, se observa un ligero incremento de concentración

para el día 9, debido a la plastificación de la matriz polimérica.

Del análisis anterior es posible concluir que el agente de acoplamiento es muy útil para que

exista una mayor impregnación de nanopartículas en el susbrato polimérico y por tanto,

para una mayor liberación de iones de plata.

Una de las razones suficientes para no seleccionar al ácido fórmico como agente

dispersante es que, a pesar de que los nanocompuestos liberan iones de plata a una

concentración que se espera se obtenga una eficacia antimicrobiana, genera muchos

aglomerados en la solución coloidal después de aplicar ultrasonido por tanto, no se obtiene

una solución estable (Figura 24).

0 3 6 9 12 15

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Conc

entr

acio

n Ag

+ (p

pm/cm

2 )

Tiempo liberacion (Dias)

Ag (0.2 wt%) + AM Ag(0.9 wt%) + AM


57

Figura 24. Solución coloidal de plata con Ácido Fórmico después de aplicarle ultrasonido, a) 0.9 wt% de plata sin Anhídrido Maleico; b) 0.9 wt% con Anhídrido Maleico.

3.3.1.2 Etilenglicol como agente dispersante.

En la Figura 25 se observa la cinética de liberación de iones de plata usando etilenglicol

como agente dispersante y anhídrido itacónico como agente de acoplamiento a diferentes

contenidos de nanopartícula de plata.

Figura 25. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Itacónico (AI) como agente de acoplamiento a 25ºC en etilenglicol, mediante el método de aspersión.

Como se puede observar en la Figura 25, la muestra con un contenido de plata de 0.8 wt%

libera mayor contenido de iones que la muestra con 0.2 wt%, esto puede deberse a que a

a b

0 3 6 9 12 15

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

Conc

entr

acio

n Ag

+ (p

pm/cm

2 )

Tiempo de inmersion (Dias)

Ag (0.2 wt%) + AI Ag(0.8 wt%) + AI Ag (1.2 wt%) + AI


58

mayor concentración de plata se tendrá como resultado una mayor cantidad de iones

liberados. Más sin embargo, este comportamiento no es aplicado para el nanocompuesto

con un contenido de plata de 1.2 wt%. A pesar de que se esperaría una concentración de

iones de plata mayor para la muestra con 1.2 wt% de plata, comparada con 0.8 wt% de

plata, el comportamiento de la gráfica de la Figura 25 muestra lo contrario. Este resultado

puede deberse a la presencia de aglomeraciones en la solución coloidal, lo que provoca una

baja concentración de iones de plata liberados. Por tanto, al dispersar la solución coloidal

con el sonificador, en presencia de anhídrido itacónico y manteniendo una temperatura de

25ºC, el nanocompuesto que mejor resultado presentó en cuanto a medición de iones de

plata fue al usar una concentración de plata de 0.8 wt%.

Por otro lado en la Figura 26 se presenta la liberación de iones de plata a diferentes

contenidos de nanopartícula pero usando como agente de acoplamiento el anhídrido

maleico.

Figura 26. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Maleico (AM) como agente de acoplamiento a 25ºC en etilenglicol, mediante el método de aspersión.

Como se observa en la Figura 26, al usar una concentración de plata de 0.8 wt% se obtiene

una mayor liberación de iones, comparado con la concentración de 0.2 wt%. Sin embargo,

si comparamos los nanocompuestos con un contenido de plata de 0.8 wt% con anhídrido

0 3 6 9 12 15

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

Conc

entr

acio

n Ag

+ (p

pm/cm

2 )

Tiempo inmersion (Dias)

Ag (0.2 wt%) + AM Ag (0.8 wt%) + AM Ag (1.2 wt%) + AM


59

itacónico y anhídrido maleico como agentes de acoplamiento de la Figura 25 y Figura 26

respectivamente, se observa que al usar anhídrido itacónico la concentración de iones

liberados es significativamente mayor (0.022 ppm para el día 3) que al usar anhídrido

maleico (0.0033 ppm). Es por ello, que mediante este análisis es posible considerar al

anhídrido itacónico como un agente de acoplamiento apropiado para lograr una mayor

impregnación de las nanopartículas en el substrato polimérico y por tanto, obtener altas

concentraciones de iones de plata liberados. Por último, en la Figura 26 también se

observa que al incrementar la concentración de plata a 1.2 wt%, la liberación de iones

disminuye considerablemente lo cual se atribuye, como se mencionó en la Figura 25, a la

generación de grandes aglomerados y a la obtención de una solución coloidal no estable.

Así, a pesar de que la concentración de iones de plata liberados es baja, se seleccionó la

muestra que mayores valores se apreciaban se trata de la muestra con 0.8 wt% de plata.

En la Figura 27 se observa la cinética de liberación de iones de plata para la muestra con

anhídrido itacónico como agente de acoplamiento a diferentes concentraciones de

nanopartícula y dispersada en ultrasonido a una temperatura de 60ºC.

Es posible observar en la Figura 27 un incremento en la concentración de iones de plata

para la muestra con 0.8 wt% de plata, respecto a la muestra con 0,2 wt%. Además,

también se puede notar que la temperatura de dispersión de la nanopartícula de plata en la

solución coloidal juega un papel importante en la liberación de iones. Así, mientras que en

la Figura 25 la concentración de iones de plata liberados para la muestra con 0.8 wt% de

plata es de 0.022 ppm, la misma muestra pero de la Figura 27 la concentración de iones

liberados es de 0.014 ppm para el día 3 a 25 y 60ºC, respectivamente. Por tanto, a pesar de

no existir diferencias significativas en la concentración de iones liberados para la muestra

con 0,2 wt % y 0.8 wt% de plata (Figura 27), la muestra seleccionada para los análisis

posteriores es la que contiene un 0.8 wt% de plata.


60

Figura 27. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Itacónico (AI) como agente de

acoplamiento a 60ºC en etilenglicol, mediante el método de aspersión.

Por último, en la Figura 28 se observa un análisis en la cinética de liberación de iones de

plata a diferentes concentraciones de anhídrido itacónico (AI) que son: 1.0, 2.5 y 3.0 veces

más que la concentración de plata empleada. Se observa que a medida que incrementa la

concentración de anhídrido itacónico (AI) de 1.0 a 3.0 veces más que la plata, la

concentración de iones de plata liberados también incrementa. Sin embargo, no existen

diferencias significativas en la concentración de iones de plata cuando se utiliza una

concentración de AI de 2.5 y 3.0 veces más que la plata. Por tanto, la concentración del

agente de acoplamiento que permite obtener altas concentración del agente biocida es

utilizando 2.5 veces más que el contenido de plata.

0 3 6 9 12 15

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

Conc

entr

acio

n Ag

+ (p

pm/cm

2 )


Ag(0.2 wt%) + AI Ag (0.8 wt%) + AI Ag(1.2 wt%) + AI


61

Figura 28. Cinética de liberación de iones de plata a diferentes concentraciones de Anhídrido Itacónico (AI)

a 25ºC en etilenglicol, mediante el método de aspersión.

A continuación se enlistan los resultados obtenidos en las experimentaciones preliminares:

1. Agente dispersante: Etilenglicol.

2. Concentración de nanopartícula de plata: 0.8 wt%.

3. Concentración de agente de acoplamiento: 2.5 veces más que la cantidad de plata.

Por tanto, se encontró que mediante el uso de Etilenglicol como agente dispersante, la

solución coloidal es más estable y al usar una concentración de plata de 0.8 wt% y de

agente de acoplamiento de 2.5 es posible obtener altas concentraciones del agente biocida

y por tanto, lograr una buena eficacia antimicrobiana.

En base a los resultados encontrados en las pruebas preliminares, se prosiguió a realizar

nanocompuestos con nanopartícula de plata con distintas técnicas de impregnación con el

objetivo de estudiar con cuál método es posible obtener altas concentraciones del agente

biocida (iones de plata). En la Tabla 12 se resumen las características de los

nanocompuestos estudiados en las pruebas finales.

0 3 6 9 12 15

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

Conc

entr

acio

n Ag

+ (p

pm/cm

2 )


Ag (0.8 wt%) + AI(1.0) Ag (0.8 wt%) + AI(2.5) Ag (0.8 wt%) + AI (3.0)


62

Tabla 12. Muestras con diferentes técnicas de deposición de nanopartícula de plata en la matriz polimérica con 0.8 wt% de plata para la realización de las pruebas finales.

3.4 PRUEBAS FINALES. DETERMINACIÓN DEL MÉTODO DE

IMPREGNACIÓN DE NANOPARTÍCULA.

3.4.1 Propiedades mecánicas.

Una de las características más importantes de los materiales, en general, son aquellas

relacionadas con su uso final. En este sentido el estudio de las propiedades mecánicas es

una de las más interesantes, pues restringe la aplicación específica de un material.

A los nanocompuestos elaborados mediante las tres técnicas de impregnación de

nanopartículas de plata (inmersión, aspersión e impregnación en ultrasonido), se les hizo

un estudio del efecto de las nanopartículas en las propiedades mecánicas de la película

polimérica. La influencia de las nanopartículas en las propiedades mecánicas se analizó

mediante los cambios observados en el módulo de Young, resistencia a la tensión y % de

elongación (Tabla 13).

Inmersión Aspersión Impregnación en ultrasonido



Muestra (M1-a) EG/H2O (1:10) Ag (0,8 wt%)









Anhídrido Itacónico Temperatura a 60ºC.


Anhídrido Itacónico Temperatura a 60ºC


63

Tabla 13. Propiedades mecánicas de los nanocompuestos PA6/Ag a diferentes métodos de impregnación de la nanopartícula de plata. La concentración de nanopartícula de plata es de 0.8 wt%.

Muestra Módulo de Young x 10-4

(psi)

Resistencia a la tensión

(psi)

% Elongación

Referencia 1.9849 5320 739

Inmersión Anhídrido Itacónico (25ºC) 1.8365 5452 716

Anhídrido Maleico (25ºC) 1.4988 4397 745 Anhídrido Itacónico (60ºC) 1.6697 5172 737

Aspersión Anhídrido Itacónico (25ºC) 1.9625 4207 597

Por ultrasonido Anhídrido Itacónico (25ºC) 1.7517 5674 772

Anhídrido Maleico (25ºC) 1.4302 4644 685 Anhídrido Itacónico (60ºC) 1.4302 5062 727

En la Tabla 13 se observa que la película de referencia (sin nanopartícula de plata) presenta

una alta rigidez, siendo el valor del módulo de elasticidad (E) de 1.9849 x 104 psi.

A pesar de que la impregnación de las nanopartículas por el método de inmersión se lleva a

cabo en la superficie de la matriz polimérica, sí se observan pequeños cambios en las

propiedades mecánicas del nanocompuesto. Así, se observa que el nanocompuesto con

anhídrido maleico tiene un bajo valor en el módulo (E =1.4988 x 104 psi) con respecto a la

película de referencia, este comportamiento podría estar relacionado a la presencia de

aglomeraciones en la superficie de la matriz polimérica, ocasionando una disminución en

la rigidez del material. Además, en cuanto a su resistencia a la tensión, se tiene el valor

más bajo de los nancompuestos preparados por el método de inmersión (4397 psi). Por

otro lado, el nanocompuesto con anhídrido itacónico con una dispersión de nanopartículas

de plata a 25ºC, presenta un comportamiento idéntico a la matriz de referencia, teniendo un

valor en el módulo de elasticidad (E) de 1.8365 x 104 psi con un alta resistencia a la

tensión (5452 psi). Por último, el nanocompuesto con anhídrido itacónico a 60ºC, tiene un

comportamiento intermedio entre los otros dos nanocompuestos.


64

También se observa en la Tabla 13 el comportamiento en las pruebas mecánicas del

nanocompuesto con anhídrido itacónico (25ºC) elaborado por el método de aspersión. El

módulo de Young del nanocompuesto es de 1.9625 x 104 psi. Así, el nanocompuesto

impregnado con nanopartícula de plata presenta una ligera disminución en su rigidez. Sin

embargo, sí existen efectos significativos en el porcentaje de elongación y en la resistencia

a la tensión, 597 %y 4207 psi, respectivamente. Estas disminuciones se podrían atribuir a

la falta de homogeneidad en las burbujas generadas por el aspersor, lo que ocasiona que al

evaporarse el solvente, queden residuos del mismo y se generen estructuras débiles [65].

Por otro lado en la Tabla 13 se observan las propiedades mecánicas de los nanocompuestos

elaborados por el método de impregnación en ultrasonido. Al preparar el nancompuesto

con anhídrido itacónico con una dispersión de la nanopartícula a 25ºC, se obtiene una

ligera disminución en el valor del módulo (1.7517 x 104 psi). Además, se logra una mayor

resistencia a la tensión de 5674 psi con una elongación de 772 %. Así, mediante este

resultado, es posible concluir que el anhídrido itacónico le proporciona un incremento en la

resistencia a la tensión al nanocompuesto, comportamiento también observado para el

mismo nanocompuesto pero con impregnación de nanopartículas por el método de

inmersión. Por otro lado, tanto el nanocompuesto con anhídrido maleico a 25ºC y con

anhídrido itacónico a 60ºC tienen el mismo valor en el módulo (1.4302 x 104 psi) con una

resistencia a la tensión de 4644 y 5062 psi, respectivamente. Por tanto, el nanocompuesto

con anhídrido itacónico a 60ºC presenta valores en las propiedades mecánicas intermedias

a los otros nanocompuestos.

En conclusión, se observan pequeñas diferencias en las propiedades mecánicas de los

nanocompuetos elaborados con anhídrido itacónico a 25ºC, comparado con la película de

referencia, para los tres métodos de impregnación y podría estar relacionado a una

homogeneidad en la distribución de la nanopartícula en el substrato polimérico. Por otro

lado, para los nanocompuestos con anhídrido maleico a 25ºC se observa una disminución

en las propiedades para los diferentes métodos de impregnación y puede ser debido a la

presencia de aglomerados en la película polimérica, lo que genera estructuras débiles en el

polímero.


65

3.4.2 Pruebas ópticas.

En la Tabla 14 se observan las propiedades ópticas del nanocompuesto PA6/Ag como son

las mediciones de nebulosidad, claridad y transmitancia.

Tabla 14. Propiedades ópticas de los nanocompuestos PA6/Ag.

Muestra % Transmitancia % Nebulodiad % Claridad

Película de referencia 92,2 14,0 71.4 Por Inmersión:

Anhídrido Itacónico, 25ºC 91.7 (-0.5%) 14.5 (+3%) 70.3 (-1%)

Anhídrido Maleico, 25ºC 82.9 (-10%) 21.0 (+50%) 67.4 (-5 %)

Anhídrido Itacónico, 60ºC 86.8 (-6%) 20.6 (47%) 69.6 (-2 %)

Por Aspersión

Anhídrido Itacónico, 25ºC 90.2 (-2%) 16.5 (+18%) 70.5 (-1%)

Por ultrasonido:

Anhídrido Itacónico, 25ºC 91.8 (-0.4%) 14.1 (+.7) 70.9 (-0.7%)

Anhídrido Maleico, 25ºC 89.5 (-3%) 15.4 (+10%) 70.0 (-2%)

Anhídrido Itacónico, 60ºC 87.0 (-5%) 17.8 (+27%) 69.8 (-2%)

Se observan diferencias en las propiedades ópticas del nanocompuesto PA6/Ag que está

asociado al grado de dispersión de la nanopartícula de plata en la matriz. Generalmente, la

claridad óptica del nanocompuesto con una mejor dispersión de las nanopartículas de plata

muestra una alta transparencia que el material con una pobre dispersión de nanopartículas

de plata en la matriz polimérica [71].

Por otro lado, la nebulosidad incrementa ligeramente con el incremento en el tamaño de la

nanopartícula metálica. En contraste a estos resultados, la transmitancia disminuye

conforme el tamaño de partícula aumenta o se forman aglomerados.

Para la película sin modificar (de referencia) se tienen valores de nebulosidad de 14.0 % y

de claridad de un 71%. Para el caso de las muestras con impregnación de nanopartículas

por inmersión, la nebulosidad incrementa hasta un 50% con respecto a la película de

referencia. Mientras que la claridad disminuye hasta en un 5%. Estos resultados reflejan


66

un cambio significativo en las propiedades ópticas debido al incremento en el tamaño

promedio de la partícula afectando las características finales del producto

Las propiedades ópticas de las muestras con impregnación de nanopartículas por

ultrasonido, reflejan un aumento en la nebulosidad de hasta un 27% con respecto a la

película de referencia. Mientras que la claridad disminuye sólo un 2%. Los cambios en las

propiedades ópticas son menores que los reflejados para las muestras por inmersión,

debido, probablemente, a que el tamaño de partícula es menor.

Por último, el % de transmitancia para las muestras por inmersión disminuye hasta en un

10% mientras que para las muestras elaboradas por ultrasonido únicamente disminuye

hasta en un 5%. El valor de transmitancia disminuye significamente para los

nanocompuestos elaborados por inmersión debido a un mayor tamaño de partícula que el

obtenido por el método de ultrasonido.

La disminución de propiedades ópticas después de la incorporación de nanopartículas de

bajo peso molecular puede ser debido a las siguientes razones: i) las partículas pueden

dispersar o difundir la radiación de luz y ii) el sistema polímero/partícula son mezclas

inmiscibles. Las mezclas inmiscibles son generalmente translúcidas u opacas en naturaleza

[72]

Cuando la transmitancia es mayor que 90%, la película es considerada transparente. La

película es translúcida cuando la transmitancia de luz es menor que 90%. Un material

opaco tiene una transmitancia de 0%.

3.4.3 Morfología y tamaño de partícula por Microscopía Electrónica de Barrido de

Emisión de Campo (FESEM).

Se realizó un análisis mediante FESEM para los nanocompuestos elaborados mediante las

diversas técnicas de impregnación de nanopartículas de plata, con el objetivo de analizar la

distribución de la nanopartícula de plata en la matriz polimérica y la morfología y tamaño

de la partícula.


67

Es importante mencionar que el propósito inicial del proyecto fue la realización de

nanocompuestos poliméricos de PA6/Ag usando nanopartículas de plata con un tamaño de

hasta 10 nm. Sin embargo, bajo las condiciones a las cuales se realizaron los

nanocompuestos se obtuvieron tamaños de agregados de hasta 1 μm. Por tanto, a estos

tamaños de agregados ya no es posible considerarlo como un nanocompuesto sino como un

composito sin embargo, como no se esperaban obtener estos tamaños, el término de

nanocompuesto se seguirá empleando en el desarrollo del proyecto. Por otro lado, el

término de nanopartículas ya no se empleará sino el de aglomerado o agregado de

partículas.

3.4.3.1 Método de inmersión.

En la Figura 29 se observan las micrografías para los nanocompuestos elaborados por el

método de inmersión, así como también se muestran las curvas de distribución del tamaño

del aglomerado y las curvas de distribución probabilística.

En la imagen (1a) de la Figura 29 se observa la micrografía para el nanocompuesto con

anhídrido itacónico (AI) cuya solución coloidal se dispersó en el ultrasonido a 25ºC. Se

puede observar que los aglomerados de partícula se encuentran ligeramente distribuidos en

el substrato de Nylon 6 y tienen un tamaño de 222 nm, aproximadamente (curva 1b de la

Figura 29).

La micrografía (2a) de la Figura 29 corresponde al nanocompuesto con anhídrido maleico

(AM) y con una dispersión de la solución coloidal a 25ºC. Se observa que existe una gran

presencia de aglomerados y no existe una distribución adecuada en el substrato. El tamaño

de los agregados de partículas es de hasta 1 μm (curva 2b de la Figura 29). Estas partículas

aglomeradas pueden disminuir el efecto antimicrobiano del nanocompuesto por la baja

liberación de iones de plata debido a que los iones de plata se liberan únicamente en la

superficie de la partícula. Así a mayor tamaño del agregado, el área superficial aumenta

[6] y por tanto, se liberan bajas cantidades de iones de plata.


68

Figura 29. Nanocompuestos elaborados por el método de inmersión, (1a) Micrografía; (1a) Distribución de tamaño de aglomerado; (1a) Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido itacónico a 25ºC,

(2a) Micrografía; (2b) Distribución de tamaño de aglomerado; (2c) Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido maleico a 25ºC, (3a) Micrografía; (3b) Distribución de tamaño de aglomerado; (3c) Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido itacónico a 60ºC.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

20

30

50

70

90

980

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

9

18

27

36

45

Tamaño de aglomerados (nm)

μ = 1006.925 nmσ = 721.128 nm

Núm

ero

de p

artíc

ulas


Pro

babi

lidad

(%)

(1a) (1b)

(2a) (2b) (2c)

(3a) (3b) (3c)

(1c)

050

010

0015

0020

0025

0030

00

20

30

50

70

90

050

010

0015

0020

0025

0030

00

0

9

18

27

36

45


μ = 936.716 nmσ = 934.416 nm

Núm

ero

de p

artíc

ulas


Pro

babi

lidad

(%)

010

020

030

040

050

060

070

0

5

10

30

50

70

90

010

020

030

040

050

060

070

0

0

9

18

27

36

45


Num

ero

de p

artic

ulas

μ = 222.452 nmσ = 151.218 nm


Pro

babi

lidad

(%)


69

Por último, en la micrografía para el nanocompuesto con anhídrido itacónico a 60ºC

(micrografía 3a de la Figura 29) se observa un pobre recubrimiento de aglomerados de

plata en el substrato y el tamaño es de 936 nm (curva 3b de la Figura 29). Por tanto, al

existir una baja cantidad de plata impregnada en el substrato se liberará, también, una

menor concentración de iones de plata.

También se realizó una curva de distribución probabilística, el cual permite encontrar una

partícula con cierto tamaño nanométrico en la matriz polimérica. Así, se tiene un 80% de

probabilidad de encontrar aglomerados con un tamaño de hasta 230 nm en el

nanocompuesto con AI a 25ºC (curva 1c de la Figura 29), de hasta 1250 nm en el

nanocompuesto con AM a 25ºC (curva 2c de la Figura 29) y de hasta 1500 nm en el

nanocompuesto con AI a 60ºC (curva 3c de la Figura 29).

A partir de estos resultados, se puede concluir que el anhídrido itacónico (micrografía 1a

de la Figura 29), favorece una mayor cantidad de aglomerado impregnado en el substrato.

Sin embargo, al utilizar anhídrido maleico (micrografía 2a de la Figura 29), los resultados

son contrarios es decir, con este agente de acoplamiento se presenta una menor cantidad de

agregados impregnados en el substrato de Nylon 6.

Es importante mencionar que la temperatura de dispersión de los aglomerados de plata en

la solución coloidal (alcanzada en el ultrasonido), tiene un efecto significativo. En una

investigación realizada por Mason [36], se reporta que la temperatura de la solución en el

ultrasonido es muy importante; debido a que la intensidad de cavitación varía con el

cambio de temperatura. Así, la intensidad de cavitación incrementa al aumentar la

temperatura (hasta cerca de los 50ºC), para luego disminuir y desaparecer completamente a

la temperatura de ebullición de la solución utilizada. Por tanto, esta puede ser la razón por

la que los tamaños de los aglomerados del nanocompuesto con anhídrido itacónico a 25ºC

son de menor tamaño (222 nm) que el nanocompuesto con el mismo tipo de agente de

acoplamiento pero con una dispersión del aglomerado a 60ºC (936 nm).


70

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

12

10

305070

90

9899.5

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0

9

18

27

36

45


μ = 578.493 nmσ = 396.555 nm

Núm

ero

de p

artíc

ulas


Pro

babi

lidad

(%)

(1a)

(1b) (1c)

3.4.3.2 Metodo por aspersión.

En la Figura 30 se muestra el nanocompuesto con recubrimiento de plata por el método de

aspersión, usando anhídrido itacónico como agente de acoplamiento y cuya solución

coloidal impregnada en el substrato es dispersado a 25ºC en el sonificador.

Figura 30. Nanocompuesto con Anhídrido Itacónico a 25ºC por el método de aspersión, 1a) Micrografía por FESEM del nanocompuesto PA6/Ag,1 b) Distribución de tamaño de aglomerados, 1c) Distribución

probabilística.

De acuerdo a la micrografía 1a de la Figura 30 se observa una distribución un poco

homogénea del aglomerado en el substrato. En la curva 1b de la Figura 30, se observa la

distribución de tamaño del aglomerado y cuyo tamaño promedio es de 578 nm con una

desviación estándar de 396 nm. En la gráfica 1c de la Figura 30 se observa una curva

probabilística la cual muestra que existe un 80 % de probabilidad de encontrar en el

nancompuesto tamaños de aglomerados de hasta 700 nm, aproximadamente.

Comparando la micrografía obtenida en este método (micrografía 1a de la Figura 30) con

el método de inmersión (micrografía 1a de la Figura 29), ambas con anhídrido itacónico, es

posible observar que el método de impregnación es un parámetro importante para obtener

recubrimientos homogéneos y lograr una mayor cantidad de aglomerados impregnados en

el substrato polimérico.


71

3.4.3.3 Método por ultrasonido.

Por último, cuando las nanopartículas metálicas se depositaron usando ondas de

ultasonido, el tamaño del aglomerado disminuyó significativamente. Así, en la Figura 31

se observan los nanocompuestos elaborados por el método de ultrasonido.

Es posible observar en la micrografía 1a de la Figura 31, una distribución homogénea del

aglomerado en la mayor parte de la superficie del substrato de Nylon 6 para el

nanocompuesto con anhídrido itacónico cuya solución coloidal se dispersó a 25ºC.

Mientras que en la micrografía 2a, de la misma figura, existe una menor cantidad de plata

impregnada en la matriz polimérica, correspondiente al nanocompuesto con anhídrido

maleico como agente de acoplamiento y cuya solución coloidal se dispersó a 25ºC. A

pesar de que en ambos nanocompuestos la solución coloidal se dispersó a la misma

temperatura (25ºC), es posible observar que el anhídrido itacónico permite una mayor

impregnación de plata en la matriz (micrografía 1a de la Figura 31), comparado con el

anhídrido maleico (micrografía 2a de la Figura 31).

Comparando el tamaño promedio del aglomerado impregnado en el substrato, se tiene que

en el nanocompuesto con anhídrido itacónico a 25ºC el tamaño promedio del aglomerado

es de 139 nm (curva 1b de la Figura 31), de 539 nm en el nanocompuesto con anhídrido

maleico a 25ºC (curva 2b de la Figura 31) y de 694 nm en el nanocompuesto con anhídrido

itacónico a 60ºC (curva 3b de la Figura 31). Por tanto, es posible observar que la

temperatura de dispersión de los agregados de partícula en la solución coloidal afecta de

manera significativa el tamaño de los aglomerados obtenidos, obteniéndose tamaños de

hasta 694 nm cuando se dispersa a 60ºC.


72

Figura 31. Nanocompuestos elaborados por el método de ultrasonido, (1a) Micrografía; (1a) Distribución de tamaño de aglomerado; (1a) Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido itacónico a 25ºC, (2a) Micrografía; (2b) Distribución de tamaño de aglomerado; (2c) Distribución probabilística del

nanocompuesto con anhídrido maleico a 25ºC, (3a) Micrografía; (3b) Distribución de tamaño de aglomerado; (3c) Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido itacónico a 60ºC.

020

040

060

080

010

0012

0014

0016

0018

00

70

80

90

95

98

9999.5

99.9

020

040

060

080

010

0012

0014

0016

0018

00

0

9

18

27

36

45


μ = 139.577 nmσ = 227.606 nm

Núm

ero

de p

artíc

ulas


Pro

babi

lidad

(%)

0

200

400

600

800

1000

1200

20

30

50

70

90

0

200

400

600

800

1000

1200

0

9

18

27

36

45


μ = 539.496 nmσ = 235.173 nm

Núm

ero

de p

artíc

ulas


Pro

babi

lidad

(%)

0

500

1000

1500

2000

1

10

40

70

95

0

500

1000

1500

2000

0

9

18

27

36

45


μ = 694.311 nmσ = 491.788 nm

Núm

ero

de p

artíc

ula


Pro

babi

lidad

(%)

(1a) (1c) (1b)

(2b) (2c)

(2a)

(3a) (3b) (3a)


73

En cuanto a las curvas de distribución probabilística, se tiene un 80% de probabilidad de

encontrar tamaños de aglomerados de hasta 250 nm en el substrato polímerico en el

nanocompuesto con AI a 25ºC (curva 1c de la Figura 31), de hasta 700 nm en el

nanocompuesto con AM a 25ºC (curva 2c de la Figura 31) y de hasta 1 μm en el

nanocompuesto con AI a 60ºC (curva 3c de la Figura 31).

Comparando los tamaños promedios de los aglomerados obtenidos mediante el método de

inmersión y ultrasonido, se tiene que es posible obtener tamaños de aglomerados de hasta

694 nm usando el método de ultrasonido (curva 3a de la Figura 31) y de hasta 1 μm

mediante el método de inmersión (curva 2b de la Figura 29). Por tanto, mediante el

método de ultrasonido es posible reducir el tamaño de los aglomerados debido a que los

aglomerados absorben la energía suministrada por el sonificador y generan partículas de

tamaño más pequeños.

Por tanto, los nanocompuestos elaborados por la técnica de impregnación en ultrasonido, al

igual que los nanocompuestos por inmersión, la temperatura (25ºC o 60ºC) es un factor

importante para lograr una mayor dispersión de los aglomerados en la solución coloidal y

por tanto, observar menores tamaños de aglomerados en la matriz polimérica. Así también

el tipo de agente de acoplamiento utilizado (Anhídrido Itacónico o Anhídrido

Maleico),dando como resultado quea los nanocompuesto con anhídrido itacónico con una

dispersión de la solución coloidal a 25 ºC se observen los mejores resultados en cuanto a

tamaño y distribución de los aglomerados en el substrato polimérico, para los tres métodos

de impregnación.

Es importante mencionar que las curvas de distribución de tamaño de aglomerados se

obtuvieron mediante mediciones del tamaño de aglomerados a partir de las micrografías

obtenidas por FESEM con el uso de un programa llamado ImageJ. Por tanto, es necesario

considerar los posibles errores en las mediciones realizadas.


74

3.4.4 Análisis elemental de plata por EDS (Espectroscopía de energía dispersiva de

Rayos X)

Se llevó a cabo un análisis del mapeo químico de plata para obtener las fotomicrografías de

los nanocompuestos preparados por los tres métodos de impregnación: inmersión,

aspersión e impregnación en ultrasonido, obtenidas por el análisis EDS. Además, las

fotomicrografías van acompañadas por la micrografía obtenida por FESEM para lograr una

mejor comprensión de los factores que predominan la formación de aglomerados en las

partículas de plata, que ya se discutieron anteriormente.

3.4.4.1 Método por inmersión.

En la Figura 32 se puede apreciar la distribución de los aglomerados de partículas de plata

en la matriz polimérica, donde las zonas brillantes indican la riqueza del elemento en

cuestión. Como se ha venido discutiendo, al usar anhídrido itacónico como agente de

acoplamiento a 25ºC (Figura 32a), se logra una mayor uniformidad y distribución de los

aglomerados de partícula a lo largo de la matriz debido a la temperatura a la cual los

aglomerados de partícula se dispersan en la solución coloidal y al tipo de agente de

acoplamiento empleado. También es posible notar que al usar anhídrido maleico (Figura

32b) se observa una menor cantidad impregnada de agregados de partículas en el substrato.

Para el nanocompuesto con anhídrido itacónico a 60ºC (Figura 32c), no se observa una

distribución y dispersión homogénea de los aglomerados debido a la que a esta temperatura

(60ºC), las cavitaciones generados por el ultrasonido disminuyen, provocando una baja

dispersión de las nanopartículas en la solución coloidal provocando la formación de

agregados de partículas de gran tamaño.

Por tanto, de acuerdo a los resultados obtenidos en la elaboración de nanocompuestos

mediante la técnica de inmersión, se confirma que al dispersar los agregados de partículas

en la solución coloidal a 25ºC y usando como agente de acoplamiento el anhídrido

itacónico, se favorece una mayor cantidad de aglomerados impregnados en la matriz

polimérica y se obtienen menores tamaños de aglomerados (Figura 32a), con respecto a los

otro dos nanocompuestos elaborados con la misma técnica.


75

Figura 32. Mapeo elemental mediante EDS para las muestras con impregnación por el método de inmersión con 0.8 wt% de plata, a) Anhídrido Itacónico a 25ºC, b) Anhídrido Maleico a 25ºC y c) Anhídrido Itacónico

a 60ºC.

3.4.4.2 Método por aspersión.

En la Figura 33 se presenta el análisis EDS para el nanocompuesto elaborado por el

método de aspersión, en la cual se observa una mejora en la distribución de los

aglomerados de plata en la película polimérica, comparado con el método de inmersión.

Además, es posible observar que no se presentan muchas aglomeraciones de partículas en

la matriz debido a que se buscaron las mejores condiciones de aspersión de la solución

coloidal en el substrato polimérico, de tal manera que se lograra una distribución

homogénea de plata en la película (ver apéndice).

Figura 33. Mapeo elemental mediante EDS para la muestra con impregnación por el método de aspersión

con 0.8 wt% de plata y con Anhídrido Itacónico a 25ºC.

a b c


76


En la Figura 34, se observan las fotomicrografías para las muestras por el método de

impregnación en ultrasonido. Así, es posible observar que la muestra de la Figura 34a con

anhídrido itacónico a 25ºC, presenta una distribución homogénea de aglomerados de plata

en la superficie polimérica. Mientras tanto, en la Figura 34b el nanocompuesto contiene

anhídrido maleico como agente de acoplamiento y la cantidad de agregados de partículas

impregnados en la matriz es mucho menor comparado con el nanocompuesto con

anhídrido itacónico a 25ºC (Figura 34a). Por último, el nanocompuesto con anhídrido

itacónico a 60ºC (Figura 34c) presenta una mayor cantidad de plata impregnada en la

matriz que el nanocompuesto con anhídrido maleico (Figura 34b) y puede deberse a que el

anhídrido itacónico presenta una mayor compatibilidad con el metal. Por tanto, de acuerdo

a este análisis es posible confirmar que el nanocompuesto con anhídrido itacónico a 25ºC

(Figura 34a) contiene una mayor cantidad de aglomerados de plata impregnados en el

substrato polimérico y que a temperatura ambiente se logra una buena dispersión de los

agregados de partícula en la solución coloidal observándose una disminución de los

tamaños de aglomerados en el substrato polimérico.

Figura 34. Mapeo elemental mediante EDS para las muestras con impregnación por el método de ultrasonido con 0.8 wt% de plata, a) Anhídrido Itacónico a 25ºC, b) Anhídrido Maleico a 25ºC y c)

Anhídrido Itacónico a 60ºC.

a b c


77

3.4.5 Liberación de iones de plata por el método de potenciometría.

La liberación de iones de plata es esencial para cuantificar la eficacia antimicrobiana del

nanocompuesto. Se llevó a cabo pruebas de liberación de iones de plata para entender

mejor los resultados de las pruebas antimicrobianas.

La partícula de plata elemental puede proporcionar una gran cantidad de iones de plata

antimicrobianos. Mediante el contacto con agua y oxígeno disuelto se liberan pequeñas

cantidades de iones de plata de acuerdo a la ecuación [73]:

4 4 4 6 Ecuación 7

La oxidación de la plata elemental a iones de plata de acuerdo a la ecuación, ocurre

únicamente en la superficie de la partícula. Por tal razón, la concentración y velocidad de

liberación de iones de plata es controlada por la razón de superficie-volumen de la

partícula de plata dado por el tamaño de la partícula [73].

En trabajos anteriores, se ha mostrado que los polímeros que contienen nanopartículas de

plata elemental libra iones de plata de manera más efectiva que los materiales con

partículas de plata convencional con un tamaño de partícula en micras [73]

Debido a que la absorción de agua es una de las condiciones críticas para que la liberación

de iones de plata se lleve a cabo en el sistema polímero/Ag, se espera que una difusión del

agua a través de la matriz polimérica higroscópica permita una adecuada liberación de

iones. Esto es apoyado por lo reportando en la literatura [74], que el agua penetra a través

de las capas cristalinas de la poliamida. Así, las moléculas de agua interaccionan por

puentes de hidrogeno con los grupos carbonilo del Nylon 6, hinchándolo mediante la

separación de sus moléculas. Esto implica que las partículas de plata en la superficie se

oxidarían mientras se encuentren en el medio acuoso y permitirían una adecuada liberación

de iones.


78

3.4.5.1 Método de inmersión

En la Figura 35 se observa la cinética de liberación de iones de plata para las muestras con

impregnación de plata por el método de inmersión. La concentración de aglomerados

partículas es de 0.8 wt%.

Figura 35. Liberación de iones de plata como función del tiempo de inmersión en el medio acuoso, para el nanocomposito PA6/Ag con 0.8 wt% de plata con Anhídrido Itacónico (AI) o Anhídrido Maleico (AM) como

agentes de acoplamiento mediante el método de inmersión.

De acuerdo a la Figura 35, todos los nanocompuestos poliamida/plata estudiados liberaron

iones de plata dentro del medio acuoso. Esto significa que se lleva a cabo la oxidación de

las partículas de plata elemental y el transporte de los iones de plata a la superficie de la

muestra.

Graficando la concentración de iones de plata contra el tiempo de inmersión, es posible

observar que el nanocompuesto en presencia del anhídrido itacónico con una dispersión de

los aglomerados de plata en el sonificador a 25ºC (curva a de la Figura 35), libera una

concentración de iones de plata ligeramente mayor que los otros nanocompuestos

preparados a distintas condiciones. Se observa que para el día 9, la concentración de iones

aumenta ligeramente (0.014 ppm) hasta un valor constante para el día 14 (0.014 ppm).

Así, los iones de plata a tales concentraciones, mientras son seguros para su uso en

0 3 6 9 12 15

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

c

b

Ag+

libe

rado

s (pp

m/cm

2 )


Ag (0.8 wt%) + AI (25ºC) Ag (0.8 wt%) + AM (25ºC) Ag (0.8 wt%) + AI (60ºC)

a


79

aplicaciones en contacto humano, pueden ser potencialmente dañinos para diferentes

microorganismos tales como el Aspergillus Niger, entre otros.

Para el caso del nanocompuesto con anhídrido maleico cuya solución coloidal se dispersó a

25ºC en el sonificador (curva b, Figura 35), la concentración de iones de plata liberados es

mucho menor si se compara con los iones liberados del nanocompuesto con anhídrido

itacónico a 25ºC (curva a). La razón es porque a medida que incrementa el tamaño de los

agregados de partícula, la cantidad de átomos en la superficie disminuyen y por tanto, la

cantidad de iones liberados también disminuye. Por tanto, el nanocompuesto b libera

menos concentración de iones de plata debido a que el tamaño de los aglomerados en la

superficie del substrato es de hasta 1μm (Figura 29) mientras que para el nanocompuesto a,

el tamaño promedio de los aglomerados es de únicamente 222 nm (Figura 29).

Se observa un comportamiento similar para el nanocompuesto con anhídrido itacónico

cuya solución colodial se dispersó en el sonificador a 60ºC (curva c, Figura 35). El tamaño

promedio de los aglomerados que se encuentran impregnados en la superficie del substrato

es de 936 nm (Figura 29) y es de mayor tamaño que los aglomerados de partícula del

nanocompuesto con anhídrido itacónico a 25ºC (curva a Figura 35).

Por tanto, es posible observar la relación entre el tamaño de los aglomerados y la

concentración de iones de plata que se liberan. Debido a que los iones de plata se liberan

de la superficie de la partícula por tanto, a medida que se incrementa su tamaño se tendrá

menor cantidad de iones de plata que se liberan debido a que disminuye la cantidad de

átomos expuestos en la superficie de la misma.

Por tanto, de los resultados presentados en la Figura 35 se espera que el nanocompuesto

con anhídrido itacónico a 25ºC (curva a) sea adecuado como material antimicrobiano a

tiempos largos de aplicación.

En la Figura 36 se observa la velocidad de liberación de iones de plata para el

nanocompuesto con anhídrido itacónico a 25ºC (curva a de la Figura 35).


80

Figura 36. Velocidad de liberación para la muestra con Anhídrido Itacónico (AI) a 25ºC por el método de inmersión.

De acuerdo a la Figura 36, la velocidad de iones de plata liberados disminuye después del

tercer día debido a que únicamente los agregados de particula en la superficie de la muestra

contribuyen a la liberación de los iones de plata puesto que la impregnación por el método

de inmersión sólo se realiza en la superficie del substrato. Por tal razón, únicamente se

tiene una alta velocidad en la liberación de iones de plata para los primeros días.

Así, se puede concluir que el número de agregados de partículas localizadas en o cerca de

la superficie, el tamaño de los agregados de partícula y el tipo de agente de acoplamiento

son razones que originan diferencias en la liberación de iones de plata en los

nanocompuestos elaborados por el método de inmersión.

3.4.5.2 Método por aspersión.

Se observa un comportamiento diferente para los nanocompuestos elaborados por el

método de aspersión. Así, en la curva a de la Figura 37 se observa el nanocompuesto con

anhídrido itacónico con una dispersión de los agregados de plata en el sonificador a 25ºC.

3 6 9 12 15

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016 Ag (0.8 wt%) + AI (25ºC) Velocida liberacion Ag+


Ag+

libe

rado

s (pp

m/cm

2 )

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

Velocida liberacion Ag+ (ppm

/dia)


81

Figura 37. Liberación de iones de plata como función del tiempo de inmersión en el medio acuoso, para el nanocompuesto PA6/Ag con 0.8 wt% de plata y con Anhídrido Itacónico (AI) o Anhídrido Maleico (AM)

como agente de acoplamiento mediante el método de aspersión.

La curva a de la Figura 37, libera inicialmente (día 3) 0.022 ppm de iones de plata y va

incrementando lentamente hasta llegar a 0.030 ppm para el día 14. Además para este

nanocompuesto (curva a) se libera una mayor concentración de iones de plata si se

compara con los demás nanocompuestos elaborados y se encuentra relacionado, también,

con el tamaño de los agregados que se encuentran impregnados en el substrato.

Es posible observar que los nanocompuestos elaborados por la técnica de aspersión (Figura

37) liberan mayor concentración de iones de plata que los nanocompuestos elaborados por

el método de inmersión (Figura 35). Por tanto, mediante la técnica de aspersión es posible

lograr altos valores de concentración del agente biocida debido a que las gotas formadas en

el substrato pueden encapsular los aglomerados de plata.

También se observa que al usar anhídrido maleico como agente de acoplamiento (curva b

de la Figura 37) se tiene una disminución notable en la concentración de iones de plata

liberados. Por tanto, el anhídrido itacónico funciona mejor para impregnar aglomerados de

partícula en la matriz y por tanto, obtener una mayor concentración de iones liberados.

0 3 6 9 12 15

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

c

b


Ag+

libe

rado

s (pp

m/cm

2 )


a


82

Por otro lado, en la Figura 38 se realizó la derivada de la curva para el nanocompuesto con

anhídrido itacónico (curva a de la Figura 37) en la que se observa la velocidad de

liberación de plata con respecto al tiempo.

Figura 38. Velocidad de liberación para la muestra con Anhídrido Itacónico (AI) a 25ºC por el método de aspersión.

La curva de velocidad de liberación es lenta y conforme se aumenta el tiempo de inmersión

del nanocompuesto en el medio acuoso, esta velocidad de liberación de iones disminuye.

Por tanto, la liberación de iones de plata ocurre únicamente en la superficie de la muestra y

cuando la matriz polimérica es plastificada (día 9 aproximadamente) no se observa un

incremento en la velocidad de liberación de Ag+ porque las nanopartículas de plata sólo se

encuentran en la zona externa o superficial de la muestra y no en el interior de la misma.

Por tanto, la muestra con anhídrido itacónico como agente de acoplameinto a 25ºC tiene

eficiencia antimicrobiana a tiempos relativamente largos (en este caso únicamente se

realizó el análisis hasta el día 14).

3 6 9 12 15

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

Ag (0.8 wt%) + AI (25ºC) Velocidad liberacion Ag+


Ag+

libe

rado

s (pp

m/cm

2 )

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

Velocidad liberacion Ag+ (ppm

/dia)


83


En la Figura 39 se reportan los valores de concentración de iones de plata liberados para

las muestras elaboradas por la técnica de impregnación en ultrasonido.

Figura 39. Liberación de iones de plata como función del tiempo de inmersión en medio acuoso, para el nanocomposito PA6/Ag con 0.8 wt% de plata y con Anhídrido Itacónico (AI) o Anhídrido Maleico (AM)

como agente de acoplamiento mediante el método impregnación en ultrasonido.

Se observa que la muestra con anhídrido itacónico a 25ºC (curva a) presenta un mayor

valor de iones liberados inicialmente (0.014 ppm) que las muestras con anhídrido maleico

a 25ºC (curva b) y anhídrido itacónico a 60ºC (curva c), 0.01 y 0.006 ppm respectivamente.

Además, las muestras experimentan el mismo comportamiento de liberación de iones de

plata es decir, para el día 6 experimentan una disminución de iones liberados y aumenta

para el día 9. Mientras que para tiempos mayores (14 días) la única muestra que presenta

tendencia a mantener o a incrementar ligeramente la liberación de iones de plata es la

muestra con anhídrido itacónico a temperatura ambiente.

En la Figura 40 se presenta la velocidad de liberación de iones para la muestra con

anhídrido itacónico a 25ºC (curva a de la Figura 39).

0 3 6 9 12 15

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040

c

b


Ag+

libe

rado

s (pp

m/cm

2 )


a


84

Figura 40. Velocidad de liberación para la muestra con 0.8 wt% de plata y Anhídrido Itacónico (AI) a 25ºC

por el método de impregnación en ultrasonido.

Es posible observar que la liberación es muy lenta entre el día 6 y 9 e incrementa para los

días 12 a 14. Con el fin de dar una explicación clara de esta tendencia en la velocidad de

liberación de iones de plata, es necesario considerar la velocidad de difusión del agua y el

consiguiente cambio físico del nanocompuesto PA/Ag asociado a la difusión del agua.

Se puede observar que después de un incremento inicial, la velocidad de liberación de

iones aumenta paulatinamente hasta el noveno día. Esta característica puede ser explicado

de la siguiente manera: a) La liberación inicial de los iones de plata (entre los días 3 y 6)

se encuentran encapsulados en la capa superficial de la muestra y presentan una migración

instantánea en el medio acuoso; b) Posteriormente, para una oxidación y liberación de

iones provenientes del interior de la muestra, las moléculas de agua tienen que superar las

barreras de difusión entre las cadenas del polímero. Estos agregados de particulas de plata

son predominantemente responsables de la liberación a tiempos largos. Su oxidación y

posterior migración como iones de plata es más fácil cuando la muestra se encuentra

completamente plastificada por acción del agua; c) El aumento repentino en la velocidad

de liberación de iones (después del noveno día) es debido a la plastificación y al

hinchamiento de la matriz polimérica, que proporciona un movimiento a las cadenas

poliméricas y facilita la migración y la velocidad de liberación de Ag+. La plastificación

3 6 9 12 15

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040 Ag (0.8 wt%) + AI(25 C) Velocidad liberacion Ag+


Ag+

libe

rado

s (pp

m/cm

2 )

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Velocidad liberacion Ag+ (ppm

/dia)


85

del polímero proporciona un mayor volumen libre en el polímero y flexibilidad molecular,

lo que permite una adecuada liberación de iones plata.

En general, con un incremento en el tiempo de inmersión, el transporte de iones de plata

desde el interior a la superficie de la muestra es más importante, mientras la contribución

de los agregados de partícula de plata en la superficie disminuye debido a que estas

partículas son consumidas más rápidamente que los agregados situados en el interior de la

muestra. Por tanto, la liberación de iones de plata es gobernada por la difusión debido a

que los iones de plata deben moverse desde el interior de la muestra a la superficie para ser

liberados.

Los agregados de partícula pueden alcanzar, en el ultrasonido, altas velocidades que

pueden causar la fusión de la película polimérica. Esta es la razón por la cual los

agregados de partícula se encuentran fuertemente adheridos a la superficie del substrato.

Debido a las altas velocidades a la cual los agregados de partícula atraviesan la superficie,

pequeñas cantidades de agregados de partícula son capaces de penetrar la superficie y

distribuirse en el interior del substrato polimérico [75].

3.4.6 Pruebas Antimicrobianas.

La película polimérica fue impregnada con aglomerados de partícula de plata por

diferentes métodos para impartir una mejora en la actividad antimicrobiana. Se llevaron a

cabo pruebas para la actividad antimicrobiana contra el hongo Aspergillus Niger y la

bacteria Pseudomonas aeruginosa.

3.4.6.1 Pruebas Antimicrobianas con Aspergillus Niger.

En este estudio, se investiga el crecimiento de A. Niger en medio agar en presencia de los

nanocompuestos con impregnación de agregados de plata.

El efecto antimicrobiano de los nanocompuestos mediante la prueba de difusión en agar se

evaluó tomando en cuenta dos parámetros: a) crecimiento del hongo debajo y encima de la

película y; b) la presencia de la zona de inhibición alrededor de la película.


86

En la Tabla 15 se resumen los resultados de la técnica de difusión en agar para los

nanocompuestos elaborados mediante diferentes técnicas de impregnación de agregados de

plata (inmersión, aspersión e impregnación por ultrasonido). En la mayoría de los

nanocompuestos, no existe interferencia para el crecimiento del hongo.

Tabla 15. Respuesta de los nanocompuestos al Aspergillus Niger.

El signo (+) indica el crecimiento por debajo de la muestra; (++) indica el crecimiento encima de la muestra; (inh) indica la presencia de una zona de inhibición significante alrededor de la muestra.

Por otro lado, en la Figura 41 (a,b,c) se observan los resultados de la técnica de difusión en

agar para los nanocompuestos elaborados mediante el método de inmersión. De acuerdo a

la figuras es difícil distinguir una zona de inhibición, además de que es difícil distinguir

cuál nanocompuesto presenta una mejor respuesta antimicrobiana.

Lo mismo ocurre para los nanocompuestos con impregnación de agregados de plata por

aspersión (Figura 41 d,e,f) e impregnación en ultrasonido (Figura 41 g,h,i). Más sin

embargo, sí es posible concluir que los nanocompuestos PA6/Ag presentan efecto de

inhibición, ya que la película de referencia fue completamente atacada por los

microorganismos.

Muestra Aspergillus Niger Película de referencia + , ++

Inmersión

Anhídrido Itacónico, 25ºC (M1-i) +

Anhídrido Maleico, 25ºC (M2-i) +

Anhídrido Itacónico, 60ºC (M3-i) +

Aspersión

Anhídrido Itacónico, 25ºC (M1-a) +

Anhídrido Maleico, 25ºC (M2-a) +

Anhídrido Itacónico, 60ºC (M3-a) +

Impregnación en ultrasonido

Anhídrido Itacónico, 25ºC (M1-u) +

Anhídrido Maleico, 25ºC (M2-u) +

Anhídrido Itacónico, 60ºC (M3-u) +


87

Por tanto, debido a que no es posible apreciar un efecto significativo en la inhibición para

el hongo A. Niger en esta prueba cualitativa, se lleva a cabo una técnica de carácter

cuantitativo para complementar los resultados y obtener valores más confiables

Figura 41. Imágenes fotográficas para las muestras con deposición de nanopartícula de plata por el método

de inmersión (a,b,c), aspersión (d,e,f) e impregnación en ultrasonido (g,h,i) con Anhídrido Itacónico o Anhídrido Maleico como agente de acoplamiento: a,d,g) Anhídrido Itaconico (25ºC), b,e,h) Anhídrido

Maleico (25ºC), c,f,i) Anhídrido Itacónico (60ºC)

a b c

Película Referencia

d e f

g h i

Inmersión

Aspersión



88

La técnica cuantitativa consiste en la propagación del hongo A. Niger en un medio de

cultivo por agitación. Para llevar a cabo el análisis por esta técnica, la película de

referencia (sin recubrimiento con plata) así como los nanocompuestos fueron incubados en

una suspensión de A. Niger en un Caldo de Papa Dextrosa (CDP). El hongo se mantuvo en

contacto con la muestra por 72 horas. Así, el porcentaje de inhibición se midió mediante

método gravimétrico, usando la Ecuación 6 (sección 2.6.2.1).

3.4.6.1.1 Método por inmersión.

En la Figura 42 se observan los resultados del porcentaje de inhibición para los

nanocompuestos elaborados por el método de inmersión.

Figura 42. Prueba cuantitativa para los nanocompuestos elaborados por el método de inmersión, con un porcentaje de inhibición de: 19.5% para M1-i (Anhídrido Itacónico 25º), 9.7 % para M2-i (Anhídrido

Maleico 25ºC) y 10.3 % para M3-i (Anhídrido Itacónico 60ºC).

Así, es posible observar que el nanocompuesto en presencia del anhídrido itacónico como

agente de acoplamiento y con una dispersión de agregados de plata a 25ºC (M1-i), presenta

el valor más alto en el porcentaje de inhibición (19.5%). De acuerdo a los resultados

obtenidos en la liberación de los iones de plata (Figura 35), el nanocompuesto M1-a

(anhídrido itacónico, 25ºC) libera una mayor concentración de iones de plata en 72 horas

(3 días) que los otros dos nanocompuestos elaborados con la misma técnica. Por tanto,

Película de Referencia M1-i M2-i M3-i0

20

40

60

80

100

120

140

160 10.3 %9.7 %

19.5 %

Biom

asa

(mg/

ml)

Muestras


89

esta es la razón por la que se observa un alto valor en el porcentaje de inhibición para este

nanocompuesto.

3.4.6.1.2 Método por aspersión.

En la Figura 43, se muestran los resultados en las pruebas antimicrobianas para los

nanocompuestos con impregnación de agregados de plata por el método de aspersión.

Figura 43. Prueba cuantitativa para los nanocompuestos elaborados por el método de aspersión, con un porcentaje de inhibición de: 35.7 % para M1-a (Anhídrido Itacónico 25º), 19.6 % para M2-a (Anhídrido

Maleico 25ºC) y 23.0% para M3-a (Anhídrido Itacónico 60ºC).

Así, la muestra con anhídrido itacónico a 25ºC (M1-a) presenta el valor más alto en

porcentaje de inhibición, siendo de 35.7% con una liberación de iones de plata de 0.022

ppm para el día 3 (72 horas de incubación del medio de cultivo). Para el nanocompuesto

con anhídrido maleico a 25ºC (M2-a) se obtiene un 19.6 % de inhibición con una

liberación de iones de plata de 0.0033 ppm. Por último, para el nancompuesto con

anhídrido itacónico a 60ºC (M3-a) se alcanza un porcentaje de inhibición de 23.0% con

una liberación de iones de plata de 0.014 ppm (para el día 3). Así, es posible observar la

relación entre la concentración de iones de plata liberados y el porcentaje de inhibición por

tanto, a mayor liberación de iones se tendrá un alto porcentaje de inhibición.

Película de Referencia M1-a M2-a M3-a0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

23.0 %19.6 %

35.7 %

Biom

asa

(mg/

ml)

Muestras


90

Por otro lado, se observan valores altos en los porcentajes de inhibición para los

nanocompuestos elaborados por aspersión (Figura 43) que para los elaborados por

inmersión (Figura 42) y la razón puede deberse a que las gotitas formadas al esprear la

solución coloidal en el substrato encapsulan una mayor cantidad de aglomerados de plata,

originando que los iones de plata se liberen en los primeros días.

3.4.6.1.3 Método por ultrasonido.

Por último, las propiedades antimicrobianas para los nanocompuestos elaborados por

impregnación en ultrasonido se muestran en la Figura 44.

Figura 44. Prueba cuantitativa para las muestras con deposición de plata por el método de impregnación en ultrasonido, con un porcentaje de inhibición de: 28.3 % para M1-u (Anhídrido Itacónico 25º), 21.3 %

para M2-u (Anhídrido Maleico 25ºC) y 14.0 % para M3-u (Anhídrido Itacónico 60ºC).

Para la muestra con anhídrido itacónico a 25ºC (M1-u) se observa un porcentaje de 28.3%

de inhibición, de 21.3 % para la muestra con anhídrido maleico a 25ºC (M2-u) y por

último, de 14.0 % para la muestra con anhídrido itacónico a 60ºC (M3-u).Dichos valores de

inhibición están relacionado con la concentración de iones de plata (Figura 39). Es decir,

los nanocompuestos que presentan un bajo valor de inhibición es debido a la baja

concentración del agente biocida liberado en el medio.

Película de Referencia M1-u M2-u M3-u0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

14.0 %21.3 %

28.3 %

Biom

asa

(mg/

ml)

Muestras


91

Por tanto, es posible concluir que el método de difusión en agar (cualitativo) no es una

técnica cuyos resultados presentados sean definitivos, ya que aunque no se observa una

zona de inhibición alrededor de la muestra, sí presentan porcentajes de inhibición al

realizar las pruebas por un método cuantitativo (medio de cultivo líquido). Además, fue

posible observar la estrecha relación que existe entre la concentración de iones de plata

liberados del nanocompuesto y los porcentajes de inhibición. Es decir, a mayor liberación

de iones mayor es la inhibición antimicrobiana. Por otro lado, en los tres métodos de

impregnación de agregados de plata (inmersión, aspersión e impregnación en ultrasonido)

al usar anhídrido itacónico con una dispersión de los agregados de plata a 25ºC, se

obtenían valores altos en los porcentajes de inhibición, lo cual está relacionado a la

cantidad de agregados de plata impregnados en el substrato y al tamaño de los mismos.

3.4.6.2 Pruebas Antimicrobianas con Pseudomona Aeruginosa.

En cuanto a las pruebas antimicrobianas contra la bacteria Pseudomona Aeruginosa, en la

Tabla 16 se reportan los porcentajes de inhibición obtenidos para los nanocompuestos

elaborados. Tabla 16. Porcentaje de inhibición contra P. Aeruginosa

Los porcentajes de inhibición presentados en la Tabla 16 únicamente corresponden para

dos tipos de nanocompuestos por ser los que presentaron mayor valor en la inhibición al

microorganismo.

Los bajos porcentajes de inhibición reportados en la Tabla 16 pueden ser debido a la

diferencia en la membrana celular de los microorganismos de tal manera que, en este

estudio, fue más fácil atacar a la membrana celular del Aspergillus Niger.

Muestra Inhibición

Inmersión.

Anhídrido Itacónico , 25ºC (M1-i) 2%


Anhídrido Itacónico, 25ºC (M1-u) 5%


92

Otra de las posibles causas que provocaron bajas inhibiciones contra P. aeruginosa es la

concentración de los iones de plata liberados es decir, los iones de plata liberados de los

nanocompuestos no fueron suficientes para lograr un ataque significativo a la bacteria.

Por último, las metodologías empleadas para determinar la actividad antimicrobiana contra

hongos y bacterias son distintas, por lo que podría ser, también, una razón en los valores de

inhibición obtenidos.

A pesar de que es difícil distinguir entre la actividad antimicrobiana de los agregados de

plata de los iones liberados, en este trabajo es fácil reconocer que la actividad

antimicrobiana es debido a la liberación de iones de plata debido a que únicamente

nanopartículas con un diámetro menor que 10 nm pueden interactuar directamente con la

bacteria [76].

Una disminución en el tamaño de la nanopartícula de plata da lugar a un incremento en la

superficie específica de una muestra bactericida y, como consecuencia, en su actividad

total. Esta es probablemente la razón de una alta actividad biológica de las partículas con

diámetro < 10 nm [76].

Se sabe que los iones de plata sufren reacciones de intercambio con moléculas biológicas

tales como ácido nucleico, proteínas y membranas celulares en el medio de prueba por

difusión en agar, lo que origina una disminución en la eficacia antimicrobiana de los iones

de plata [77].

3.4.7 Cuantificación de plata impregnada por Espectrofotometría de Absorción Atómica.

Actualmente una de las técnicas de análisis más desarrolladas es la espectrofotometría por

absorción atómica, debido a que presenta una serie de ventajas entre ellas su exactitud, su

notable sensibilidad y su facilidad de manejo. Por medio de esta técnica se puede

cuantificar la concentración de elementos metálicos y semi-metálicos en cualquier material

que pueda ser disuelto.


93

Esta técnica analítica fue utilizada para determinar la concentración (ppm) de los

agregados de partículas impregnadas en la matriz polimérica mediante los tres métodos:

inmersión, aspersión e impregnación en ultrasonido. Además, se realizó un segundo

análisis que consistió en limpiar previamente el nanocompuesto con un flujo de aire

controlado para comprobar si la impregnación de los agregados se llevó a cabo mediante

medios físicos o por interacciones químicas en el substrato polimérico. La concentración

de nanopartícula de plata empleada para la elaboración de la solución coloidal corresponde

a 8,000 ppm (0.8 wt%). Así, el objetivo del análisis es determinar cuánta plata se

encuentra adherida a la matriz polimérica y la estabilidad de esta impregnación.

Los resultados del análisis se observan en la Tabla 17, donde Cm1 es la concentración de

plata en la matriz polimérica sin ningún tratamiento previo a la película, PCm1 es el

porcentaje de plata impregnado en la matriz de acuerdo al valor obtenido (Cm1) y Cm2 es la

concentración de plata en la matriz polimérica después de que la película fue limpiada con

un flujo de aire controlado y PCm2 es el porcentaje correspondiente a la plata impregnada

de acuerdo al valor obtenido (Cm2). Así, el valor de Cm1 permitirá comprender la utilidad

de usar agentes de acoplamiento para una mejora en la impregnación de los agregados de

plata, mientras que los valores de Cm2 ayudarán a comprender la estabilidad de dicha

impregnación

Tabla 17. Concentración de plata en la matriz polimérica.

Muestras Cm1 (ppm) Cm2 (ppm) PCm1 PCm2

Por inmersión:

Anhídrido Itacónico,25ºC (M1-i) 727 608 9.0 % 7.6 %

Anhídrido Maleico,25ºC (M2-i) 227 51 2.8 % 0.63 %

Anhídrido Itacónico,60ºC (M3-i) 468 317 5.8 % 3.9 %

Por aspersión:

Anhídrido Itacónico,25ºC (M1-a) 485 289 6.0 % 3.6 %

Por ultrasonido:

Anhídrido Itacónico,25ºC (M1-u) 6371 2668 79.6 % 33.3 %

Anhídrido Maleico,25ºC (M2-u) 2933 1937 36.6 % 24.2 %

Anhídrido Itacónico,60ºC (M3-u) 3873 680 48.4 % 8.5 %


94

Para los nanocompuestos sin tratamiento de remoción de las nanopartículas, es posible

observar que la cantidad de agregados de plata impregnados en la muestra es muy baja

comparada con la concentración inicial que se utiliza (8,000 ppm). Por tanto, una de las

razones de la presencia de aglomerados en la matriz polimérica y en la solución coloidal es

la alta concentración inicial de las nanopartículas en la solución coloidal ocasionando que

las nanopartículas no tengan el tiempo suficiente de dispersarse en la solución cuando ya se

han encontrado con otra partícula y generar aglomerados. Además, la presencia de agentes

de acoplamiento, sea anhídrido maleico o anhídrido itacónico, influyen en una mayor o

menor cantidad de agregados de plata impregnados en la matriz polimérica así, por

ejemplo, la muestra con anhídrido itacónico a 25ºC (M1-i) tiene 9 % de plata impregnada,

mientras que con anhídrido maleico (M2-i) se observa sólo un 2% de la plata.

Por otro lado, para el caso de las muestras impregnadas con agregados de plata por el

método de impregnación en ultrasonido, es posible observar que la cantidad de plata

contenida en el substrato polimérico es alta por ejemplo, el nancompuesto con anhídrido

itacónico a 25 ºC (M1-u) contiene un 79.6 % de agregados de plata. Este porcentaje alto es

debido a que existen nanopartículas que se encuentran impregnadas tanto en la superficie

como en el interior de la película polimérica, ya que mediante las cavitaciones generadas

por las burbujas de la solución, fue posible que cierta cantidad de agregados de plata se

impregnara en el interior del substrato [75]. Mientras que al usar anhídrido maleico (M2-

u) se logra que sólo un 36.6 % de agregados se impregnen en el substrato. Por tanto,

podemos concluir que el método de impregnación en ultrasonido es eficaz para obtener un

mayor contenido de plata en el substrato de Nylon.

También se realizó un análisis limpiando previamente la película polimérica antes de

proceder al análisis en el equipo de absorción atómica para conocer, de esta forma, la

estabilidad de impregnación de los agregados de partícula. Así, en la Tabla 17 se observa

que existe una disminución considerable en la concentración de plata en la matriz después

de limpiar el nanocompuesto. Por ejemplo, la muestra con anhídrido itacónico (M1-i) sin

ningún tratamiento previo contiene en su superficie 9.0 % de agregados de plata más sin

embargo, al limpiar el nanocompuesto con el flujo de aire se observa que hubo una

disminución en el contenido de plata llegando a 7.6 %. Si se observa la muestra con

anhídrido maleico (M2-i) que contiene 2.8 % de plata, al realizarle el tratamiento previo a


95

la muestra es posible observar que existe una disminución significativa en la concentración

de aglomerados en el susbstrato llegando a tan sólo 0.63 % de agregados de plata

impregnados en la matriz polimérica.

Para el caso de las muestras elaboradas por el método de impregnación en ultrasonido se

tiene que el nanocompuesto elaborado con anhídrido itacónico (M1-u) contiene un 79.6 %

de aglomerados impregnados en la matriz. Sin embargo, al remover con el aire el exceso

de partícula en el substrato se observa una reducción en el contenido de hasta un 33 %. De

aquí es posible concluir que del 79.6 % de agregados impregnados en la matriz,

únicamente el 33 % se encuentra en el interior del substrato y el 46.6% se encuentra en la

superficie del mismo. Por tanto, para lograr efectos antimicrobianos a largo plazo sin que

exista una pérdida del agente antimicrobiano por causas naturales, el método de

impregnación en ultrasonido es una alternativa útil.

Por último, al usar anhídrido maleico como agente de acoplamiento para el método de

impregnación en ultrasonido (M2-u) es posible observar un 36.6% de contenido de plata en

la matriz. Sin embargo, al limpiar el nanocompuesto con un flujo de aire se observa una

reducción en el contenido de plata de hasta 24.2%. Por tanto, es posible concluir que del

36.6 % de aglomerados en el substrato, el 24.2 % se encuentra en el interior de la muestra

y únicamente el 12.4% está localizado en la superficie de la matriz de Nylon 6.

Concluyendo, la presencia de aglomerados en los nanocompuestos PA6/Ag, se debe a la

alta concentración de nanopartículas de plata utilizada en la elaboración de las soluciones

coloidales, lo que provoca una pobre dispersión de la misma. Además, los agentes de

acoplamiento utilizados, anhídrido itacónico y anhídrido maleico, tienen la capacidad de

lograr una mayor impregnación de agregados de plata en el substrato. Por otro lado, la

técnica de impregnación en ultrasonido, de acuerdo a los resultados obtenidos en esta

sección, conviene utilizarla para evitar la pérdida del agente antimicrobiano por causas

naturales, ya que este método permite que los agregados de plata se depositen en el interior

o cerca de la superficie del nanocompuesto.

Conclusiones

96

CONCLUSIONES

De acuerdo a las pruebas preliminares, las condiciones que mejores resultados presentaron

en cuanto a liberación de iones de plata y dispersión de nanopartículas fue el uso del

etilenglicol como agente de dispersión con una concentración de nanopartícula de plata 0.8

wt%. A mayores concentraciones de plata se presentó mayor tendencia aglomerarse y el

uso del etilenglicol propició una mejora en la dispersión de las nanopartículas.

En cuanto a las pruebas mecánicas, los valores obtenidos muestran que las nanopartículas

no afectan significativamente las características mecánicas del nanocompuesto.

En las propiedades ópticas se pudo concluir que, en general, la presencia de nanopartículas

de plata causa una disminución en la transmisión de luz visible siendo esta diminución

menos drástica para los nanocompuestos donde se usó anhídrido itaconico, lo cual se

atribuyo a una mejor dispersión y menor grado de aglomeración de las nanopartículas al

usar este agente.

Las pruebas por FESEM realizadas a los nancompuestos revelan que se obtienen tamaños

de partículas muy grandes de hasta 1 μm. Más sin embargo, se logra una distribución

homogénea de los agregados de plata en la matriz cuando se usa como agente de

acoplamiento el anhídrido itacónico (25ºC). Este resultado es observado para las tres

técnicas de impregnación de nanopartículas en el substrato.

De acuerdo al estudio realizado a los nanocompuestos en cuanto a la concentración de

iones de plata liberados, se encontró que las muestras que contienen anhídrido itacónico y

cuya solución coloidal impregnada se dispersó a 25ºC en el sonificador, presenta los

mejores valores de concentración de iones liberados para los tres métodos de impregnación

(inmersión, aspersión e impregnación en ultrasonido). Así, es posible relacionar el efecto

de la dispersión y el tamaño de los agregados (observado por FESEM) en la liberación de

iones de plata.

Por otro lado se realizaron estudios de pruebas antimicrobianas (cualitativa y cuantitativa)

usando como hongo el Aspergillus Niger y como bacteria la Pseudomonas Aeruginosa. De

Conclusiones

97

acuerdo a este estudio se observó que las muestras con anhídrido itacónico con dispersión

de la solución coloidal a 25ºC, presenta los mejores efectos antimicrobianos. Para las

pruebas con Pseudomona Aeruginosa desafortunadamente se obtuvieron porcentajes de

inhibición muy bajos, lo cual lo atribuimos a las diferencias en la estructura de la

membrana celular de los microorganismos estudiados.

También se llevaron a cabos estudios por absorción atómica para determinar la cantidad de

agregados de plata impregnados en la matriz polimérica y la estabilidad de dicha

impregnación. Los resultados muestran que existe una mayor concentración de plata

impregnada en la matriz al utilizar el método por ultrasonido, este resultado puede deberse

a que la impregnación se lleva a cabo tanto en la superficie como en el interior de la matriz

polimérica. Mientras que los otros dos métodos de impregnación (inmersión y aspersión)

solo se lleva a cabo la impregnación de los agregados en la superficie de la matriz

polimérica. Los resultados mostraron que existe un gran porcentaje de agregados de

partícula que se pierden o se desprenden del nanocompuesto al limpiarlo con flujo de aire.

Así, de los métodos de impregnación de agregados de partícula, el más apto para pruebas

antimicrobianas es el método por ultrasonido, ya que es posible lograr que el agente

antimicrobiano no se desprenda o se pierda por causas naturales de la matriz al encontrarse

en el interior de la misma.

Apéndice

98

APÉNDICE

Determinación de la velocidad de iones de plata liberados.

La derivada de una función en cualquier punto de su dominio puede definirse de la

siguiente manera:

´ lim

La cual representa un acercamiento de la pendiente de la secante a la de la tangente ya sea

por la derecha o por la izquierda.

Debido a que la definición de la derivada es definida para una función f(x), no es posible

aplicarla para un conjunto de datos experimentales por tanto, la derivada en un punto Pi se

calcula tomando en cuenta el promedio de las pendientes entre el punto de interés y sus dos

puntos más cercanos:

Así, la función aplicada para determinar la derivada de un conjunto de datos

experimentales puede escribirse como:

´ 12

PiPi+1

Pi-1

xi-1 xi xi+1

yi-1

yi

yi+1

Apéndice

99

Elaboración de nanocompuestos por el método de aspersión.

Para la elaboración de nanocompuestos por el método de aspersión, fue necesario

encontrar las mejores condiciones en cuanto a distancia de aspersión de la solución

coloidal a la película polimérica y apertura de la boquilla.

En la Figura 45 se muestran las principales componentes del aspersor empleado para la

elaboración de nanocompuestos PA6/Ag.

Figura 45. Equipo empleado para la elaboración de nanocompuestos por el método de aspersión.

Se estudió el efecto de la apertura de la boquilla para obtener un recubrimiento homogéneo

de plata en la película polimérica. Así, de acuerdo a la Figura 46 se analizaron tres

aperturas de la boquilla. La cantidad de flujo espreado incrementa desde la posición 1 a la

posición 3 de la boquilla. Así, en la posición 1 la cantidad de solución espreada en la

película origina burbujas de agua de gran tamaño, ocasionando que existan zonas en la

película donde no se observe un recubrimiento de aglomerado de partículas de plata. Por

otro lado en la posición 3 de la boquilla, la solución espreada en la matriz polimérica es de

mayor cantidad y las burbujas formadas en la película es de menor diámetro, lográndose

una impregnación homogénea de agregados de partículas en el substrato.

Boquilla

Recipiente que

contiene la solución

coloidal

Conexión al aire

Válvula de apertura

Apéndice

100

Posición 1 Posición 2

Posición 3

Figura 46. Posiciones estudiadas con el aspersor para lograr una distribución homogénea de los

aglomerados de partícula en la matriz polimérica.

También se estudiaron las distancias adecuadas para la aspersión de la solución colodial las

cuales fueron: 20, 40 y 60 cm tomando como origen la posición de la película de

referencia.

Por tanto, las mejores condiciones encontradas para la aspersión de la solución coloidal

para la elaboración de nanocompuestos PA6/Ag fue dispersando la solución a una distancia

de 60 cm y con una apertura de boquilla en la posición 3.

Referencias Bibliográficas

101

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