ALDと水熱成長による階層的ZnO/ポリアミド-6ナノファイバー：抗菌活性強化

概要

本研究は、原子層堆積（ALD）と水熱合成を統合し、電気紡糸ポリアミド-6（PA-6）ナノファイバー（NF）を酸化亜鉛（ZnO）で装飾することを実証。FE-SEM、HRTEM、STEMにより、ALDサイクル数で制御されるZnOシード層厚さと水熱曝露時間が、「スイレン」様および「キャタピラー」様マイクロナノ構造の出現を決定することを明らかに。Staphylococcus aureusに対する抗菌アッセイで、ZnO/PA-6コアシェル複合体が細菌生存率を著しく抑制し、キャタピラー様構造架が最も顕著な阻害を示すことを確認。

背景

有機-無機階層ナノ構造は、生体模倣設計の高い表面積/体積比を活かし、触媒、超撥水表面、オプトエレクトロニクス、圧電エレクトロニクス、抗菌材料への応用を可能にします。特に柔軟ファイバーは高アスペクト比、軽量、引張強度を備え、先進ナノ構造基板として魅力的。電気紡糸はナノファイバーマット作製のコスト効率良い連続ルートで、更なる機能化が可能です。

原子層堆積は高アスペクト比基板への共形・単分子層制御コーティングを提供し、ナノファイバー均一装飾に理想的。電気紡糸とALDの組み合わせで、PA-6/ZnO、ZnO/TiO₂、TiO₂/ZnOなどコアシェル構造が得られ、多くの場合水熱成長でZnOナノロッド（NR）等形態作製が続きます。

本研究では、PA-6 NFをALDでZnOシードし水熱処理し、2つの異なる階層形態を得ました。これら構造の抗菌性能評価により、保護繊維と生物医療応用への可能性を強調します。

実験パート

PA-6ナノファイバーを、ギ酸中15 wt% PA-6溶液から、印加電圧12 kV、チップ-コレクター距離10 cmで電気紡糸。マットを60 ℃で12時間真空乾燥し残留溶媒除去。ZnO ALDをカスタムチャンバーで110 ℃、ジエチル亜鉛と水使用、50、100、150サイクルでシード層作製。水熱ステップで、シード済みマットを0.025 Mヘキサメチレンテトラミン/0.025 M硝酸亜鉛溶液に浸漬、90 ℃で1、3、6時間。成長後、洗浄・自然乾燥。

形態をFE-SEM（日立S4800、1 kV）とHRTEM（JEM-2100F、200 kV）観察。元素マッピングをSTEM-EDXで実施。結晶性をXRD（ブルカーD8 ADVANCE、Cu Kα）評価。XPS（クラトスAxis Ultra、Al Kα）で表面化学分析。抗菌活性を3 mm厚膜上でのS. aureus阻害ゾーン測定（ノギス）で定量化。

結果と考察

ALD ZnOコーティングNF

FE-SEM像（図1a–d）で均一PA-6 NF、直径125±75 nmと30±16 nm確認。150 ALDサイクル後、~14.6 nm厚連続ZnOシェル明確（図1e）、共形カバレッジ確認。XPSスペクトル（図2）でサイクル数増加とともにZn 2p信号増加、O 1sピークが低結合エネルギー側へシフト、より密なZnO被覆示唆。

PA 6-ZnO階層NF

水熱成長でZnOシードがナノロッドへ変換、形態はALDサイクル数と成長時間双方に依存。3時間後、50サイクルサンプルはスイレン様クラスター形成、100・150サイクルサンプルはキャタピラー様構造発現（図3f–h）。水熱期間6時間延長でベアPA-6 NF上ナノロッド密度減少だが、シード済みサンプルで階層形態保持（図3i–l）。TEM（図4a）で多数NR先端がファイバーから離脱、形態変動説明。

抗菌活性

阻害ゾーン直径は150サイクルサンプルで水熱時間増加とともに増大、キャタピラー様構造で1.5 mm、スイレン様で1.03 mm達成（図6）。キャタピラー様NR優越性はより高いアスペクト比とおそらく変化したZnO表面化学に起因。

結論

ALDシード層後水熱成長で、制御可能な階層形態を持つZnOコーティングPA-6ナノファイバー作製成功。ALDサイクル数がZnOシード層連続/不連続を決定し、水熱処理でスイレン様またはキャタピラー様ナノロッド形成を規定。水熱時間がZnO結晶配向と表面化学をさらに調整。S. aureus抗菌試験でキャタピラー様構造が最強阻害示し、形態と化学組成双方が抗菌効力に不可欠であることを示唆。