Composites based on polylactide reinforced with basalt fiber with the addition of antibacterial nanoparticles for biomedical applications

The study assessed the effect of the addition of basalt fibers and antibacterial metal nanoparticles, copper nanoxide (CuO) and zinc nanoxide (ZnO), on the strength properties and influence of hydrolytic degradation on the decrease strength properties of composites produced by injection molding based on a polylactide (PLA). In order to carry out the research, 9 compositions were prepared with the 5 and 15% by mass basalt fibers (BF) content and 2% addition of metal nanoparticles. Additionally, each of the composites had a 2% addition of a compatibilizer - a miscibility promoter. In order to assess the strength properties, the composites were subjected to a tensile, bending and impact tests. Hydrolytic degradation was performered in physiological saline solution at 40°C. SEM micrographs of samples breakthroughs were taken to assess the effects of enhancement and the homogenization. The test results showed that the addition of BF increased the tensile and bending strength, and also increased the stiffness of the composition. After 7 weeks of hydrolytic degradation there was a significant 30-50% decrease in the strength and stiffness of the materials. The addition of antimicrobial metal oxide nanoparticles decreases the strength properties. In the SEM photos after tensile tests the composites with the addition of ZnO nanoparticles, it could be observed cleavage fractures with areas of strong developed. The SEM photos of composites with the addition of CuO show more clearly the surfaces crystalline groups with BF in the matrix. The produced composites with BF and antibacterial metal nanoparticles can improve the functional properties of the injected elements for biomedical applications.

---

W pracy oceniono wpływ dodatku włókien bazaltowych oraz antybakteryjnych nanocząstek metali, nanotlenku miedzi (CuO) i nanotlenku cynku (ZnO) na właściwości wytrzymałościowe, a także wpływ degradacji hydrolitycznej na spadek właściwości wytrzymałościowych kompozytów wytworzonych metodą wtryskiwania na osnowie polilaktydu. W celu przeprowadzenia badań wytworzono 9 kompozycji z zawartością 5 i 15% mas. włókien bazaltowych oraz 2-proc. dodatkiem nanocząstek metali. Dodatkowo każdy z kompozytów posiadał 2% dodatku kompatybilizatora - promotora mieszalności. W celu oceny właściwości wytrzymałościowych kompozyty zostały poddane próbom rozciągania, zginania oraz udarności. Przeprowadzono także degradację hydrolityczną w roztworze soli fizjologicznej w temp. 40°C. Wykonano również mikrofotografie SEM na przełomach po rozciąganiu w celu oceny efektów wzmocnienia oraz stopnia homogenizacji. Wyniki badań wykazały, że dodatek włókien bazaltowych zwiększył wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, a także zwiększył sztywność kompozycji. W warunkach degradacji hydrolitycznej po 7 tygodniach nastąpił znaczący 30-50-proc. spadek wytrzymałości i sztywności materiałów. Dodatek antybakteryjnych nanocząstek tlenków metali zmniejszył właściwości wytrzymałościowe. Na zdjęciach z mikroskopii elektronowej po rozciąganiu kompozytów z dodatkiem nanocząstek tlenku cynku zaobserwowano przełomy kruche z obszarami silnie rozwiniętymi. Na zdjęciach SEM kompozytów z dodatkiem nanotlenku miedzi wyraźniej obserwowane były powierzchnie ugrupowań krystalicznych z włóknami bazaltowymi w osnowie. Wytworzone kompozyty z włóknem bazaltowym i antybakteryjnymi nanocząstkami metali mogą poprawić właściwości użytkowe wtryskiwanych elementów do zastosowań biomedycznych.