اثر مسیر سنتز نانوذرات نقره بر عملکرد ضدباکتریایی و ویژگی‌های نوری و مکانیکی کاغذ

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

2 دانشیار، گروه چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

3 استاد،گروه چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

4 دانشیار، گروه علوم پایه، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

10.22069/jwfst.2026.24743.2166

چکیده

چکیده
سابقه و هدف:
این پژوهش با هدف مقایسه دو عامل کاهنده شیمیایی برای سنتز نانوذرات نقره، شامل کاهش با سدیم بوروهیدرید (Ag/NaBH₄) و تری‌سدیم سیترات (Ag/TSC) و ارزیابی اثر آن‌ها بر ریخت‌شناسی نانوذرات، عملکرد ضدباکتریایی و ویژگی‌های نوری و مکانیکی کاغذ انجام شد. تمرکز اصلی مطالعه بر تبیین نقش عامل کاهنده در کنترل اندازه ذرات، پایداری کلوئیدی، الگوی استقرار نانوذرات بر سطح الیاف و عملکرد نهایی کاغذ اصلاح‌شده بود.
مواد و روش‌ها:
نانوذرات نقره از پیش‌ماده نیترات نقره و به روش کاهش شیمیایی، با استفاده از دو عامل کاهنده تری‌سدیم سیترات و سدیم بوروهیدرید سنتز شدند. در مسیرAg/TSC، محلول نیترات نقره تا دمای جوش حرارت داده شد و محلول تری‌سدیم سیترات به‌صورت قطره‌ای به آن افزوده گردید. در مسیرAg/NaBH₄، محلول سدیم بوروهیدرید پس از نگهداری در حمام یخ، با محلول نیترات نقره واکنش داده شد و محلول حاصل برای دستیابی به غلظت ppm 90، تحت خشک‌کردن انجمادی و بازپراکنش با آب مقطر قرار گرفت. کاغذهای دست‌ساز با جرم‌پایهg/m2 60 تهیه شدند و برای اصلاح سطحی، 10 ثانیه در محلول‌های نانوذرات نقره غوطه‌ور و سپس در دمای محیط خشک شدند. فعالیت ضدباکتریایی نمونه‌ها با روش اندازه‌گیری قطر هاله عدم رشد در برابر Escherichia coli، Pseudomonas aeruginosa، Staphylococcus aureus و Staphylococcus epidermidis ارزیابی شد. تشکیل نانوذرات با طیف‌سنجی فرابنفش– مرئی (UV-Vis) بررسی گردید و ریخت‌شناسی و استقرار نانوذرات بر سطح الیاف با میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) مطالعه شد. ویژگی‌های نوری شامل روشنی و ماتی و ویژگی‌های مکانیکی شامل مقاومت کششی و مقاومت در برابر پاره‌شدن اندازه‌گیری شدند. داده‌ها با آنالیز واریانس یک‌طرفه تجزیه و تحلیل شدند.
یافته‌ها:
نتایج طیف‌سنجی UV-Vis نشان داد که هر دو سامانه دارای باند تشدید پلاسمون سطحی مشخص در ناحیه نزدیک به 400 نانومتر بودند که تشکیل موفق نانوذرات نقره را تأیید می‌کند. تصاویر FESEM نشان داد که میانگین اندازه نانوذرات در سامانه‌های Ag/NaBH₄ و Ag/TSC به‌ترتیب حدود 20 و 22 نانومتر بود. با وجود نزدیکی اندازه ذرات، سامانه Ag/TSC پراکنش سطحی یکنواخت‌تری نشان داد، در حالی‌که در سامانه Ag/NaBH₄ تجمعات موضعی بیشتری مشاهده شد. نتایج آزمون ضدباکتریایی محلول‌ها و کاغذهای اصلاح‌شده نشان داد که هر دو سامانه در برابر باکتری‌های مورد بررسی اثر مهاری قابل‌توجهی داشتند؛ با این حال، سامانه Ag/NaBH₄ در بیشتر موارد هاله عدم رشد بزرگ‌تری ایجاد کرد. پس از تثبیت نانوذرات بر سطح کاغذ، فعالیت ضدباکتریایی حفظ شد، در حالی‌که نمونه شاهد اثر مهاری قابل‌توجهی نداشت. اثر نوع تیمار، نوع باکتری و برهم‌کنش آن‌ها در سطح احتمال 1 درصد معنی‌دار بود؛ بیشترین حساسیت درS. epidermidis و کمترین حساسیت در P. aeruginosa مشاهده شد. اصلاح کاغذ با نانوذرات نقره بر ویژگی‌های نوری و مقاومتی نمونه‌ها در سطح اطمینان 99 درصد اثر معنی‌دار داشت. هر دو تیمار موجب افزایش ماتی و کاهش روشنی شدند و افت روشنی در Ag/TSC شدیدتر بود. شاخص مقاومت کششی در هر دو تیمار کاهش یافت و این افت در Ag/TSC بارزتر بود، در حالی که مقاومت در برابر پاره‌شدن تغییر معنی‌داری نسبت به شاهد نشان نداد.
نتیجه‌گیری:
هر دو مسیر سنتز شیمیایی قادر به تولید نانوذرات نقره مؤثر برای اصلاح ضدباکتریایی کاغذ هستند. با این حال، سامانه Ag/NaBH₄، به‌ویژه در برابر باکتری‌های گرم‌مثبت، عملکرد مهاری قوی‌تری نشان داد که می‌تواند با اندازه اندکی کوچک‌تر نانوذرات و دسترسی زیستی بیشتر گونه‌های فعال نقره مرتبط باشد. در مقابل، سامانه Ag/TSC با پاسخ پلاسمونی شدیدتر و توزیع سطحی یکنواخت‌تر همراه بود، اما کاهش بیشتری در روشنی و مقاومت کششی کاغذ ایجاد کرد. بنابراین، انتخاب مسیر سنتز مناسب برای تولید کاغذهای ضدباکتری مبتنی بر نانوذرات نقره باید بر اساس موازنه میان فعالیت ضدباکتریایی، یکنواختی پراکنش و حفظ ویژگی‌های نوری و مکانیکی انجام گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Influence of Silver Nanoparticle Synthesis Route on the Antibacterial Performance and Optical and Mechanical Properties of Paper

نویسندگان [English]

  • Seyedeh Moyahareh Mohseni Shektai 1
  • Seyed Majid Zabihzadeh 2
  • Maryam Ghorbani Kokandeh 3
  • Pouriya Biparva 4
1 Department of Wood and Cellulosic Products Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Mazandaran, Iran,
2 Department of Wood and Cellulosic Products Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Mazandaran, Iran
3 Department of Wood and Cellulosic Products Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Mazandaran, Iran,
4 Department of Basic Sciences, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Mazandaran, Iran.
چکیده [English]

Abstract

Background and Objective:
This study aimed to compare two chemical reducing agents for the synthesis of silver nanoparticles, namely reduction with sodium borohydride (Ag/NaBH₄) and trisodium citrate (Ag/TSC), and to evaluate their effects on nanoparticle morphology, antibacterial performance, and the optical and mechanical properties of paper. The main focus was to elucidate the role of the reducing agent in controlling particle size, colloidal stability, nanoparticle deposition pattern on fiber surfaces, and the final performance of the modified paper.

Materials and Methods:
Silver nanoparticles were synthesized from silver nitrate precursor by chemical reduction using trisodium citrate and sodium borohydride as reducing agents. In the Ag/TSC route, the silver nitrate solution was heated to boiling, followed by dropwise addition of trisodium citrate solution. In the Ag/NaBH₄ route, sodium borohydride solution was reacted with silver nitrate solution after cooling in an ice bath, and the resulting solution was freeze-dried and redispersed in distilled water to obtain a final concentration of 90 ppm. Handsheets with a basis weight of 60 g/m² were prepared and surface-modified by immersion in silver nanoparticle solutions for 10 s, followed by drying at ambient temperature. The antibacterial activity of the samples was evaluated using the inhibition-zone method against Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, and Staphylococcus epidermidis. Nanoparticle formation was examined by ultraviolet–visible spectroscopy (UV–Vis), and nanoparticle morphology and deposition on fiber surfaces were studied using field-emission scanning electron microscopy (FESEM). Optical properties, including brightness and opacity, and mechanical properties, including tensile strength and tear strength, were measured. Data were analyzed using one-way analysis of variance.

Results:
UV–Vis spectroscopy showed that both nanoparticle systems exhibited a distinct surface plasmon resonance band near 400 nm, confirming successful formation of silver nanoparticles. FESEM images revealed that the average particle sizes of the Ag/NaBH₄ and Ag/TSC systems were approximately 20 and 22 nm, respectively. Despite the close particle sizes, Ag/TSC showed a more uniform surface distribution, whereas Ag/NaBH₄ exhibited more localized aggregation. Antibacterial tests of both nanoparticle solutions and modified papers demonstrated that both systems had notable inhibitory effects against the tested bacteria; however, Ag/NaBH₄ generally produced larger inhibition zones. After nanoparticle immobilization on the paper surface, antibacterial activity was maintained, while the control paper showed no considerable inhibitory effect. The effects of treatment type, bacterial strain, and their interaction were significant at the 1% probability level. The highest sensitivity was observed for S. epidermidis, whereas P. aeruginosa showed the lowest sensitivity. Modification of paper with silver nanoparticles significantly affected the optical and strength properties at the 99% confidence level. Both treatments increased opacity and reduced brightness, with a more pronounced brightness reduction in the Ag/TSC-treated paper. The tensile index decreased in both treatments, particularly in Ag/TSC, whereas tear index showed no significant difference compared with the control.

Conclusion:
Both chemical synthesis routes were capable of producing silver nanoparticles effective for antibacterial modification of paper. However, the Ag/NaBH₄ system showed stronger inhibitory performance, particularly against Gram-positive bacteria, which may be associated with its slightly smaller particle size and greater bioavailability of active silver species. In contrast, Ag/TSC exhibited a stronger plasmonic response and a more uniform surface distribution, but caused greater reductions in paper brightness and tensile strength. Therefore, selection of an appropriate synthesis route for producing silver nanoparticle-based antibacterial papers should be based on a balance among antibacterial activity, nanoparticle distribution uniformity, and preservation of the optical and mechanical properties of paper.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: silver nanoparticles
  • antibacterial paper
  • sodium borohydride
  • trisodium citrate
  • optical and mechanical properties
1.Rodrigues, A. S., Batista, J. G. S., Rodrigues, M. Á. V., Thipe, V. C., Minarini, L. A. R., Lopes, P. S., &
Lugão, A. B. (2024). Advances in silver nanoparticles: A comprehensive review on their potential as antimicrobial agents and their mechanisms of action elucidated by proteomics. Frontiers in Microbiology. 15, 1440065. https://doi.org/10.3389/ fmicb.2024.1440065.
2.More, P. R., Pandit, S., De Filippis, A., Franci, G., Mijakovic, I., & Galdiero, M. (2023). Silver nanoparticles: Bactericidal and mechanistic approach against drug resistant pathogens. Microorganisms. 11(2), 369. https://doi.org/10.3390/ microorganisms11020369.
3.Dube, E., & Okuthe, G. E. (2025). Silver nanoparticle-based antimicrobial coatings: Sustainable strategies for microbial contamination control. Microbiology Research. 16(6), 110. https://doi.org/10. 3390/microbiolres16060110.
4.Asharani, P. V., Wu, Y. L., Gong, Z., & Valiyaveettil, S. (2008). Toxicity of silver nanoparticles in zebrafish models. Nanotechnology. 19(25), 255102. https:// doi.org/10.1088/0957-4484/19/25/255102.
5.Ivask, A., Kurvet, I., Kasemets, K., Blinova, I., Aruoja, V., Suppi, S., & Kahru, A. (2014). Size-dependent toxicity of silver nanoparticles to bacteria, yeast, algae, crustaceans and mammalian cells in vitro. PLOS ONE, 9(7), e102324. https:// doi.org/ 10.1371/ journal.pone. 0102324.
6.Duman, H., Eker, F., Akdaşçi, E., Witkowska, A. M., Bechelany, M., & Karav, S. (2024). Silver nanoparticles: A comprehensive review of synthesis methods and chemical and physical properties. Nanomaterials. 14(18), 1527. https://doi.org/10.3390/nano14181527.
7.Marinescu, L., Ficai, D., Ficai, A., Oprea, O., Nicoara, A. I., Vasile, B. S., Boanta, L., Marin, A., Andronescu, E., & Holban, A. M. (2022). Comparative antimicrobial activity of silver nanoparticles obtained by wet chemical reduction and solvothermal methods. International Journal of Molecular Sciences. 23(11), 5982. https://doi.org/10.3390/ijms23115982.
8.Chien, H. W., Tsai, M. Y., Kuo, C. J., & Lin, C. L. (2021). Well-dispersed silver nanoparticles on cellulose filter paper
for bacterial removal. Nanomaterials. 11(3), 595. https://doi.org/10.3390/ nano11030595.
9.Rehan, M., Mashaly, H. M., Abdel-Aziz, M. S., Abdelhameed, R. M., & Montaser, A. S. (2024). Viscose fibers decorated with silver nanoparticles via an in-situ green route: UV protection, antioxidant activities, antimicrobial properties, and sensing response. Cellulose. 31, 5899-5930. https:// doi.org/ 10.1007/ s10570-024-05856-2.
10.Khatoon, U. T., Velidandi, A., & Nageswara Rao, G. V. S. (2023). Sodium borohydride mediated synthesis of nano-sized silver particles: Their characterization, anti-microbial and cytotoxicity studies. Materials Chemistry and Physics. 294, 126997. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126997.
11.Jafarifard, A., Naseri Nasero, M., & Makarem, M. A. (2018). Methods of synthesis of silver nanoparticles and Their applications. Congress on new research ideas in engineering science, technology, electrical & computer science. Pp: 2171-2179.
12.Bastús, N. G., Merkoçi, F., Piella, J., & Puntes, V. (2014). Synthesis of highly monodisperse citrate-stabilized silver nanoparticles of controlled sizes. Chemistry of Materials. 26(9), 2836-2846. https://doi.org/10.1021/cm5006868.
13.Solomon, S. D., Bahadory, M., Jeyarajasingam, A. V., Rutkowsky, S. A., Boritz, C., & Mulfinger, L. (2007). Synthesis and study of silver nanoparticles. Journal of Chemical Education. 84(2), 322-325. https://doi.org/10.1021/ed084p322.
14.Loiseau, A., Asila, V., Boitel-Aullen, G., Lam, M., Salmain, M., & Boujday, S. (2019). Silver-based plasmonic nanoparticles for and their use in biosensing. Biosensors. 9(2), 78. https://doi.org/10.3390/bios9020078.
15.Adrianto, N., Panre, A. M., Istiqomah, N. I., Riswan, M., Apriliani, F., & Suharyadi, E. (2022). Localized surface plasmon resonance properties of green synthesized silver nanoparticles. Nano-Structures & Nano-Objects. 31, 100895. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2022.100895.
16.Chicea, D., Nicolae-Maranciuc, A., Doroshkevich, A. S., Chicea, L. M., & Ozkendir, O. M. (2023). Comparative synthesis of silver nanoparticles: Evaluation of chemical reduction procedures, AFM and DLS size analysis. Materials. 16(15), 5244. https://doi.org/ 10.3390/ma16155244.
17.Juma, M. W., Birech, Z., Mwenze,
N. M., Ondieki, A. M., Maaza, M., & Mokhotjwa, S. D. (2024). Localized surface plasmon resonance sensing of trenbolone acetate dopant using silver nanoparticles. Scientific Reports. 14, 5721. https:// doi.org/ 10.1038/ s41598-024-56456-w.
18.Yakoup, A. Y., Kamel, A. G., Elbermawy, Y., Abdelsattar, A. S., & El-Shibiny, A. (2024). Characterization, antibacterial, and cytotoxic activities of silver nanoparticles using the whole biofilm layer as a macromolecule in biosynthesis. Scientific Reports. 14, 364. https:// doi.org/ 10.1038/ s41598-023-50548-9.
19.Hubbe, M. A., Pawlak, J. J., & Koukoulas, A. A. (2008). Paper’s appearance: A review. BioResources. 3(2), 627-665.
20.Niskanen, K. (Ed.). (1998). Paper Physics. Fapet Oy.
21.He, Y., Li, H., Fei, X., & Peng, L. (2021). Carboxymethyl cellulose/cellulose nanocrystals immobilized silver nanoparticles as an effective coating to improve barrier and antibacterial properties of paper for food packaging applications. Carbohydrate Polymers. 252, 117156. https://doi.org/10.1016/ j.carbpol.2020.117156.
22.Tahir, I., Amina, S. J., Ahmad, N. M., & Janjua, H. A. (2024). Antimicrobial coating of biologically synthesized silver nanoparticles on surgical fabric and surgical blade to prevent nosocomial infections. Heliyon. 10(17), e35968. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e35968.
23.Afra, E., Mohammadi, M., Emani, R., Narchin, P., & Roshani, Sh. (2015). Improvement of the antibacterial properties of sanitary papers using by silver nano particles. Journal of Wood & Forest Science and Technology.
22 (2), 119-135. http://jwfst.gau.ac.ir.
24.Yazdani Aghmashhadi, O., Asadpour Atoee, Gh., Rasooly Garmaroody, E., & Imani, R. (2017). Study of physical, optical and biological properties of antibacterial bank-note paper including Nano-silver. Journal of Wood & Forest Science and Technology. 24 (2), 87-101. http://jwfst.gau.ac.ir.
25.Ramezanpour-Charvadeh, M., Rudi, H., Jalali-Torshizi, H., & Ghomi marzdashti, H. (2019). Effect of silver nanoparticles prepared by plasma method on properties of papers made from Kraft pulp. 34(1), 76-88. https://dx.doi.org/10.22092/ijwpr.2019.124574.1511.