Biodegradable chitosan matrix composite reinforced with titanium dioxide for biocidal applications

Abstract

Access to drinkable water is increasingly difficult to find in developing nations. According to the World Health Organization, more than 1.2 billion people lack access to this basic resource. What is worse, water being the ideal vector for the transmission of pathogens especially bacteria are making this issue a life hazard problem. This thesis reports the study of a novel chitosan film matrix impregnated with anatase nanoparticles, which are capable of showing antibacterial properties when exposed to UV light by liberating reactive oxygen species (ROS). The films were attained by mixing chitosan powder with titanium dioxide (TiO2) along with acetic acid and deionize water at different concentrations and drying the mixture in an oven for 48 hr at 55°C. A number of techniques allowed characterizing the biocomposite uniformity, corroborating the polymorph anatase crystal structure, and assessing the bonding type and nature of this biocomposite mixture. Antibacterial tests with Escherichia coli (Gram-negative) and Staphylococcus aureus (Gram-positive) were completed via growth curve analyses and the Kirby-Bauer technique. The results of this encompassing study revealed that bacterial growth was reduced by more than 50% in both groups. In addition, x-ray diffraction (XRD) analyses confirmed the anatase polymorph phase of the nanoparticle. The films were uniformly mixed and the concentration of TiO2 was similar along the surface of the films as observed with scanning electron microscopy (SEM). Finally, Fourier transformed infrared spectroscopy (FTIR) was used to describe the functional group, bonding type, and nature of this biocomposite film. TiO2 and chitosan are capable of reducing bacterial growth and show promising results as antibacterial agents.

El acceso a agua potable es cada vez más difícil en los países en desarrollo. Según la Organización Mundial de la Salud, más de 1.200 millones de personas carecen de acceso a este recurso básico. Lo que es peor, el agua es el vector ideal para la transmisión de patógenos, especialmente las bacterias un peligro para la vida. Esta tesis describe el estudio de una nueva matriz de quitosán impregnada con nanopartículas de anatasa, que son capaces de expresar propiedades antibacterianas cuando se exponen a la luz UV mediante la liberación de especies reactivas de oxígeno (por sus siglas en inglés, ROS). Las películas se obtuvieron mezclando quitosán en polvo con dióxido de titanio (TiO2) junto con ácido acético y agua desionizada a diferentes concentraciones y secando la mezcla durante 48 horas dentro de un horno. En este trabajo se utilizaron varias técnicas que permitieron caracterizar la uniformidad del biocompuesto, corroborar la estructura cristalina de polimórfica de anatasa y evaluar el tipo de enlace y la naturaleza de esta mezcla de biocompuesto. Se realizaron diferentes pruebas antibacterianas con Escherichia coli (gram negativo) y Staphylococcus aureus (gram positivo) mediante el análisis de la curva de crecimiento y la técnica de Kirby-Bauer. Los resultados de este estudio abarcador revelaron que el crecimiento bacteriano se redujo en más del 50% en ambos grupos. Además, los análisis de difracción de rayos X (por sus siglas en inglés, XRD) confirmaron la fase polimórfica de anatasa en la nanopartícula. Las películas se mezclaron uniformemente y la concentración de TiO2 fue similar a lo largo de la superficie de las biopelículas, como se observó en el microscopio de electrones de barrido (SEM). Finalmente, se usó la transformada infrarrojo de Fourier (FTIR) para describir el grupo funcional, el tipo de unión y la naturaleza de esta película de biocompuesto. TiO2 y quitosan son capaces de reducir el crecimiento bacteriano y demuestran resultados prometedores.