Development and characterisation of functional nanofibers for face mask applications

Abstract

Nowadays, air pollution is a major problem all around the world and human life is seriously and negatively affected by air pollution. It causes serious health problems including cancer. Air pollutants can be classified into three groups as ultra-fine particulates, toxic gases and biological pollutants involving viruses and bacteria. Very recent COVID-19 pandemic has clearly showed all humanity how a minute virus-based air pollution could be a human disaster. In this study, the filtration application of nanofibrous mats to be functionalized with MgO or ZnO nanoparticles have been investigated. Firstly, effect of MgO NP concentration and thickness of nanofiber layer on particulate filtration have been investigated. 25% MgO/PAN filter produced with 60-min electrospinning time have showed high filtration efficiency of 97,6% and low pressure drop of 215 Pa, which meet the face mask standard of EN149+A1. It has been shown that as the nanoparticle concentration in the polymer solution increases; the surface of the nanofiber filter becomes rough, the nanofiber diameters increase, and the particle filtration performance of the filter increases. The increase in filtration efficiency of the filter is related to the adsorption ability of MgO NPs and the decrease in pressure drop value is related to the increased pore size among nanofibers. Secondly, adsorption studies with toluene gas, one of the toxic volatile organic compounds, have been carried out using MgO/PAN NF with various MgO NP concentrations, various nanofiber layer thicknesses and two different adsorption times. Physical adsorption takes places between toluene gase and MgO NP by the means of hydroxyl and oxide groups on the surface of the nanoparticle. We have achieved a high amount of toluene adsorption of 53.31%. Antibacterial efficacy of ZnO/PAN filter have been evaluated by using two types of bacteria, gram positive S. aureus and gramnegative E. coli. The antibacterial activity of ZnO NPs was found to be higher against E. coli than S. aureus due to differences in the cell membrane of two different bacteria type.

Günümüzde hava kirliliği dünya çapında büyük bir sorundur ve hava kirliliğinden dolayı insan yaşamı olumsuz etkilenmektedir. Kanser, astım, akciğer yetmezliği, KOAH dahil ciddi sağlık sorunlarına neden olmaktadır. Dünya Sağlık Örgütünün 2019 yılı raporuna göre dünya nüfusunun %95'inden fazlasının kabul edilebilir limitin altındaki kalitede hava soluduğu bildirilmektedir. 2019 yılı sonu ve 2020 yılının ilk altı ayında tüm dünyanın yaşadığı COVID-19 pandemisi de küçücük bir virüsün nasıl bir hava kirliliğine yol açtığı ve tüm insanlık için ne kadar büyük bir felakete neden olabileceğini göstermiştir. Hava kirleticileri genel olarak ultra ince parçacıklar, gaz formunda kirleticiler (NOx, SOx, CO, uçucu organik bileşikler…) ve virüslerin ve bakterilerin dahil olduğu biyolojik kirleticiler olarak üç gruba ayrılabilir. Gaz kirleticiler arasında özellikle iç mekanda sıklıkla bulunan, oda sıcaklığında dahi buharlaşabilen, evde kullandığımız birçok ürün vasıtasıyla soluduğumuz havaya karışan uçucu organik bileşiklere yoğunlaşılmıştır. Bu çalışma kapsamında havada bulunan tüm kirleticilere karşı koruyucu özellikte olabilecek bir yüz maskesi üretmek hedeflenmiştir. MgO veya ZnO nanoparçacıkları ile fonksiyonelleştirilmiş PAN nanolifler filtrasyon uygulamaları için araştırılmıştır. PAN molekülü polar yapısından dolayı kirletici parçacıkları yakalamada diğer polimerlere kıyasla daha etkilidir ve bu sebeple tercih edilmiştir. Geleneksel nanoliflerle partikül kirleticiler büyük oranda yakalanabilmesine karşın daha küçük boyutta olan gaz kirleticilerin yakalanabilmesi için nanolif yüzeyinin işlevselleştirilmesi gerekmektedir. Metal oksit nanoparçık içeren nanolifler bu kapsamda son dönemde kullanılmaya başlanmıştır. MgO nanoparçacık yüzeyindeki yüksek reaktiviteye sahip oksit ve hidroksit iyonları nedeniyle havadaki parçacıkları/gazları gerek kimyasal gerek fiziksel olarak adsorplayabilmektedir. ZnO nanoparçacık ise bakteriler üzerindeki yüksek öldürme etkisinden de dolayı çalışmamızda kullanılmıştır. ZnO nanoparçacıklar üç farklı mekanizma ile bakteri gelişmesini engeller ve bakterilerin ölmesine neden olur. ZnO NPs nanometre boyutunda olduklarından direkt olarak bakterinin hücre duvarından geçerler ve buradaki lipitler, proteinler ve DNA gibi biyolojik maddelerle etkileşerek bakterinin ölmesine neden olurlar. İkinci olarak ZnO NPs bakteri hücresinde asidik ortamda Zn+2 iyonuna dönüşürler. Zn+2 iyonları ZnO NPs'a göre daha reaktiftir ve daha hızlı bir şekilde bakteri ölümüne yol açar. Son olarak ZnO NPs'lar hidrojen peroksit, süperoksit gibi reaktif oksijen türlerinin oluşmasına yol açarak bakterileri oksidatif strese sokarlar ve bakteri ölümüne neden olurlar. Yapılan çalışmada ilk olarak, üretilen MgO/PAN ve ZnO/PAN filtrelerin morfolojik karakterizasyonu taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile yapılmıştır. Enerji dağılım spektrometresi (EDX) ile MgO nanoparçacıkların lif yüzeyindekixxvi varlığı ispatlanmış ve lif yüzeyindeki homojen dağılımı gösterilmiştir. Ardından MgO NP konsantrasyonunun ve nanolif tabaka kalınlığının parçacık filtrasyonu üzerindeki etkisi araştırılmıştır. 60 dakikalık elektrospinning süresi ile üretilen 25% MgO/PAN filtresi, EN149+A1 standardını da karşılayan %97,6'lık yüksek filtreleme verimliliği ve 215 Pa'lık düşük basınç düşüşü göstermiştir. Ayrıca nanoliflere eklenen nanoparçacıklar, nanolifin var olan pürüzsüz yüzeyinin bozulmasına, girintili çıkıntılı bir morfoloji elde etmeye, nanolif çaplarındaki artışa ve filtrasyon performansında iyileşmeye neden olmuştur. Elektrospinning süresinin artırılması ile elde edilen lif morfolojiler genel olarak değişmemiş, daha fazla nanolifin üstüste gelmesinden dolayı nanolifler arası por çapının azalmasına neden olmuştur. Bu durum da yüksek filtrasyon verimliliğine karşın aynı zamanda yüksek basınç düşüşü ile sonuçlanmıştır. Çalışmamızda en yüksek filtrasyon performansına, elektrospinning ile kaplama süresi 20 dakika olduğunda ulaşılmıştır. MgO NP'ların filtrasyon performansına etkisinin iyi anlaşılabilmesi için MgO NPs'lar lif yüzeyine homojen dağılmalı ve nanolif yüzeyinde herhangi bir topaklanma problemi gözlenmemelidir. Çalışmamızda 20% ve 25% MgO/PAN nanoliflerinde istenilen morfolojiye ulaşılmıştır ve bu örnekler filtrenin filtrasyon performansını iyileştirmişlerdir. Filtrasyon performansındaki iyileşme artan nanolif çapına bağlı olarak nanolifler arasında kalan por çaplarının artması ile ilişkilidir. Por çapları arttığı için daha düşük basınç düşüşü elde edilmiştir. Filtrasyon verimliliği artan por çapına bağlı olarak azalmıştır ancak MgO NP'ların yüksek adsorpsiyon yeteneğinden dolayı filtrasyon verimliliği fazla azalmamıştır ve yüksek filtrasyon performansı gösteren filtre üretilmesi başarılmıştır. 30% ve 35% MgO/PAN numunelerindeki topaklanma probleminden dolayı iyi bir filtrasyon performansı gösterememiştir. Toksik uçucu organik bileşiklerden biri olan toluen gazı ile adsorpsiyon çalışmaları, çeşitli MgO NP konsantrasyonları, çeşitli nanolif tabaka kalınlıkları ve iki farklı adsorpsiyon süresiyle MgO/PAN NF kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada %53,31 oranında yüksek miktarda toluen adsorpsiyonu elde edilmiştir. Nanoparçacık konsantrasyonunun adsorpsiyon üzerindeki büyük etkisi gösterilmiştir. Nanoparçacık konsantrasyonu arttıkça ve nanoparçacıkların yüzeyindeki reaktif iyon sayısı da artmaktadır ve bu durum toluen adsorpsiyon miktarının artmasına yol açmıştır. 13% PAN numunesinde de bir miktar toluen adsorpsiyonu gözlenmiştir. Bu durum toluenin nanoparçacıklara adsorpsiyonu dışında porlar arasında da tutulduğunu ve üretilen filtrenin moleküler elek gibi davrandığını göstermiştir. Filtrasyondan sorumlu nanolif tabaka kalınlığının artması ile toluen adsorpsiyon miktarı artmıştır. Böylece toluen gazının MgO NP yüzeyine adsorpsiyonunun sadece filtre yüzeyinde değil filtrenin iç kısımlarında da gerçekleştiği bulunmuştur. Bunların ötesinde metal oksit nanoparçacıkların katalitik etkisi yaptığımız çalışmada görülmemiştir. Bu durum kullanılan nanoparçacıkların yüksek reaktivite gösteren atom sayısının az olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Reaktivitenin parçacık boyutu ile yakından ilişkili olduğu bilinmektedir. Bu kapsamda daha küçük partikül çapına sahip nanoparçacıklar ile çalışmanın daha iyi sonuçlar vereceği öngörülmektedir. Son olarak biyolojik kirleticilerden biri olan ve çeşitlerine bağlı olarak gerek insanlara gerek tüm canlılara hastalık getiren bakterilerin giderilmesine odaklanılmıştır. Bunun için çeşitli ZnO nanoparçacık konsantrasyonlarında ZnO/PAN nanolifleri üretilmiştir. ZnO/PAN filtresinin antibakteriyel etkinliği, gram pozitif S. aureus ve gram negatif E. coli olmak üzere iki tip bakteri kullanılarak değerlendirilmiştir.xxvii ZnO NP'lerin E. coli'ye karşı antibakteriyel aktivitesinin S. aureus'tan daha yüksek olduğu bulunmuştur. Bu durum iki tip bakterinin sahip olduğu farklı hücre duvarı yapıları ile ilişkili olduğu düşünülmüştür. Yaptığımız çalışma ile nanoliflerin nanoparçacıklar ile işlevselleştirilmesi sonucunda hem partikül, hem gaz, hem de bakterilere karşı koruyucu olacak bir yüz maskesi aktif tabakasının üretilebileceği gösterilmiştir.