Un enfoque novedoso para mejorar el color y las propiedades antimicrobianas de la madera de pino y haya utilizando Se

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12972 (2023) Citar este artículo

270 Accesos

Detalles de métricas

La madera de pino (PW) y la madera de haya (BW) son las maderas más utilizadas en muebles y otras aplicaciones debido a sus características únicas y su bajo coste de mecanizado. Sin embargo, su biodegradabilidad y su variado contenido de humedad limitan su uso más amplio y su durabilidad. Por lo tanto, en este estudio, se utilizó la nanotecnología como un enfoque novedoso y ecológico para mejorar la durabilidad, las propiedades antimicrobianas y el color de la madera. Se prepararon nanopartículas de selenio (Se-NP) en forma esférica en concentraciones variadas (25 y 50 mM) utilizando un método ecológico en el rango de 35 a 80 y 40 a 155 nm, respectivamente. La formación de Se-NP a nanoescala se confirmó mediante análisis UV/Vis, microscopía electrónica de transmisión (TEM) y difracción de rayos X (DRX). Luego, las Se-NP preparadas se impregnaron en PW y BW durante diferentes períodos que oscilaron entre 2 h y 1 semana. Luego, la madera tratada se lixivió en agua destilada durante 14 días para eliminar el exceso de Se-NP de la superficie de la madera. Las superficies de madera tratadas se examinaron mediante espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Además, se determinó la profundidad de penetración de las Se-NP en la madera tratada tanto en el lado tangencial como en el radial. Se evaluaron los impactos de las Se-NP en las propiedades de color, densidad, contenido de humedad y actividades antimicrobianas de la madera tratada. Las PW tratadas con Se-NP mostraron mejores características antimicrobianas y de color que las BW tratadas. Las muestras de PW sumergidas en Se-NP 50 mM durante 2 h mostraron los valores de K/S más altos, mientras que los valores antimicrobianos más altos se obtuvieron para aquellas sumergidas en la misma concentración durante 2 días y 1 semana.

La madera se ha utilizado durante siglos por muchas razones debido a sus extraordinarias cualidades. Representa una materia prima primaria debido a su alta resistencia, bajo peso y relativa durabilidad. Por lo tanto, puede utilizarse en numerosas aplicaciones, como interiores y exteriores, si se trata con materiales eficientes1,2. Toda la madera proviene de árboles que son de madera blanda o dura, según la clasificación botánica, como el pino (Pinus sylvestris) y el haya (Fagus sylvatica)3,4. El PW se utiliza en muebles debido a su buena relación resistencia-peso; y por lo tanto, normalmente se la considera una madera atractiva5. BW es una madera resistente que se mecaniza bien y es ideal para doblar con vapor6. Además, es un material de precio razonable y con un bajo coste de mecanizado7. Sin embargo, existen dos desventajas que minimizan principalmente su uso más amplio y su durabilidad, incluida la biodegradabilidad y la inestabilidad dimensional como resultado del cambio en su contenido de humedad8,9,10. Además, los tratamientos tradicionales de la madera, incluidas pinturas, tintes, barnices, abrillantadores y adhesivos, si no se manejan adecuadamente, pueden dañar el medio ambiente y a los seres humanos11.

En este sentido, el uso de la nanotecnología puede mejorar la durabilidad de la madera, aumentando así la vida útil de los productos de madera, como los muebles, debido a las propiedades únicas de las NP en el rango de 100 nm o menos12. Los conceptos de ciencias biológicas, físicas, materiales y químicas se están fusionando en la nanotecnología para el desarrollo de diversas tecnologías13. Cuando se utilizan diferentes NP para la protección de la madera, es posible reducir la absorción de humedad y mejorar la protección ultravioleta, las propiedades mecánicas y la resistencia al fuego14,15,16,17. Las NP proporcionan una amplia variedad de clases de antimicrobianos y ofrecen una acción antibacteriana persistente con poca toxicidad18. Además, tienen la capacidad de impartir propiedades multifuncionales y coloración a los materiales sin comprometer las características inherentes del sustrato19,20. Es posible una amplia gama de sintonizabilidad del color debido a las propiedades ópticas de las NP, como la resonancia de plasmón superficial, los efectos de confinamiento cuántico y los colores estructurados de NP. Al cambiar el tamaño, la forma, la composición y la función de la superficie, las NP podrían tener diferentes colores21,22.

Con la ayuda de la nanotecnología se han desarrollado nuevos compuestos de madera con características mejoradas23. Se pueden crear compuestos de madera y plástico con propiedades físicas, mecánicas y térmicas mejoradas añadiendo nanorellenos como ZnO-NP, TiO2-NP, nanoarcillas y SiO2-NP24,25,26. Es posible producir compuestos de madera contrachapada con propiedades mejoradas de resistencia a la flexión, estabilidad dimensional, resistencia de unión, módulo de flexión y resistencia a la extracción de tornillos utilizando SiO2-NP, Al2O3-NP y ZnO-NP27. Además, el módulo de ruptura, el módulo de elasticidad, la fuerza de unión y la resistencia a la extracción de tornillos de los compuestos de tableros de partículas se mejoraron mediante el refuerzo con SiO2-NP y Al2O3-NP28. Debido a su estructura neutra en carbono, baja toxicidad, biodegradabilidad, amplia disponibilidad y propiedades superiores, los nanomateriales verdes lignocelulósicos tienen un gran potencial para fabricar compuestos de madera y plástico con características mejoradas24. Los paneles compuestos a base de madera ecológicos se pueden fabricar utilizando adhesivos con baja emisión de formaldehído mejorados mediante la adición de nanocelulosa a niveles de carga adecuados23,29 y utilizando SiO2-NP, Al2O3-NP y ZnO-NP30.

La nanotecnología verde se refiere a la síntesis de NP sin productos químicos peligrosos para limitar los niveles de citotoxicidad de las NP preparadas31,32,33. Se ha descubierto que las biomoléculas y las sustancias ecológicas desempeñan un papel evidente en la producción de NP de todas las formas y tamaños, allanando el camino para el desarrollo de técnicas de síntesis de NP más ecológicas y seguras34,35,36. El selenio es un elemento no metálico, es un oligoelemento micronutriente extremadamente importante en el ecosistema37,38. Las Se-NP con un tono rojo representan un nuevo objetivo de estudio debido a sus propiedades únicas, su baja toxicidad en relación con las moléculas de selenio y su destacada bioactividad39,40. Debido a sus propiedades antimicrobianas, las Se-NP están adquiriendo cada vez más importancia en las industrias alimentaria y médica41. Sin embargo, aún no se han descrito sus características prácticas como tratamiento de la madera para mejorar las características fisicoquímicas de la madera y darle un color estético.

Así, el objetivo de este estudio fue producir materiales sostenibles para la producción de muebles utilizando nanotecnología. A este respecto, se impregnaron Se-NP sintetizadas en verde en PW y BW para mejorar su durabilidad, propiedades antimicrobianas y características de color. Se utilizaron Se-NP en diferentes concentraciones y períodos de impregnación para evaluar los efectos de la concentración y el tiempo de impregnación sobre las propiedades antimicrobianas y de color de la madera tratada en comparación con las del control.

Se compraron dos tipos diferentes de madera, albura no defectuosa de pino (Pinus sylvestris L.) y haya (Fagus sylvatica L.), de Moelven (Hedmark, Noruega) y CEDAR doo (Rijeka, Croacia), respectivamente. La recolección de la madera estudiada cumplió con los lineamientos y la legislación institucional, nacional e internacional pertinente. Luego se utilizaron muestras de madera con dimensiones de 25 × 25 × 15 mm3 y se clasificaron en ocho grupos de PW y BW para diferentes períodos de impregnación de 2 horas, 1 día, 2 días y 1 semana (cada grupo constaba de 10 muestras). El selenito ácido de sodio, la polivinilpirrolidona (PVP) y el ácido ascórbico se obtuvieron de Sigma-Aldrich y se utilizaron sin purificación adicional.

Las Se-NP se sintetizaron mediante una reacción redox basada en el procedimiento descrito por Abou Elmaaty et al.42. Se utilizó selenito de hidrógeno y sodio como precursor de Se-NP en diferentes concentraciones de 50 y 100 mM. Luego se añadió polivinilpirrolidona (PVP) a esta solución a una concentración de 12 g/100 ml para mantener la estabilidad de las Se-NP preparadas. Además, a la mezcla anterior se añadió ácido ascórbico en diversas concentraciones (100 mM y 200 mM) en una relación molar de 2:1 y una relación en volumen de 1:1 (vitamina C:hidrogenoselenita de sodio). La formación de Se-NP se confirmó después del cambio de color de la solución de incolora a naranja oscuro43. Para el análisis XRD, la solución coloidal de Se-NP se secó completamente a 130 °C y luego se almacenó a 4 °C para su uso posterior.

Las muestras de PW y BW se impregnaron con soluciones coloidales de Se-NP en concentraciones de 25 mM y 50 mM dentro de un desecador de vacío a un vacío de 80 kPa. El proceso de impregnación se llevó a cabo durante varios períodos de 2 horas, 1 día, 2 días y 1 semana para estudiar el efecto del tiempo de impregnación sobre el color y las propiedades antimicrobianas de las muestras de madera analizadas. Luego, las muestras de madera tratadas con Se-NP se secaron a 30 °C en un horno durante una semana. Luego, las muestras tratadas fueron lixiviadas. A este respecto, el contenido de humedad de equilibrio se alcanzó acondicionando las muestras tratadas a 20 °C y 65% RH. Luego las muestras se sumergieron en agua destilada (20 °C, pH 5,5) durante 14 días. El objetivo del proceso de lixiviación era eliminar el exceso de Se-NP que no estaban bien depositados en las superficies de la madera. El agua se cambió cuatro veces durante el proceso de lixiviación: después de 2 horas, 2 días, 4 días y 8 días de lixiviación44. Luego, las muestras de madera lixiviadas se secaron en un horno a 30 °C durante 1 semana, como se muestra en la Figura 1.

Dibujo esquemático del proceso de impregnación de PW y BW con Se-NP.

Las Se-NP se examinaron utilizando un microscopio electrónico de transmisión (JEOL, JEM 2100F, Tokio, Japón) a 200 kV para caracterizar su morfología y tamaño. Se añadió una gota de solución de Se-NPs a una rejilla de cobre (malla 400) recubierta con carbón y luego se dejó ventilar el disolvente a temperatura ambiente hasta su evaporación.

La formación de Se-NP también se confirmó cualitativamente mediante espectros UV/Vis de soluciones coloidales de Se-NP debido a su resonancia de plasmón superficial (SPR) utilizando un espectrofotómetro UV-visible (Shimadzu Co., Kyoto, Japón).

Se utilizó un difractómetro de rayos X (Bruker D8 ADVANCE, Karlsruhe, Alemania) para determinar la naturaleza cristalina de las Se-NP sintetizadas y las absorbidas en las superficies de madera tratada.

Se examinaron muestras de madera utilizando un microscopio electrónico de barrido (JEOL JSM-6510LB, Tokio, Japón) para estudiar el efecto de la impregnación con Se-NP en la morfología de sus superficies, en comparación con muestras en blanco. Además, se realizó un análisis químico de los elementos encontrados en la superficie de la madera utilizando una unidad de espectroscopía de dispersión de energía (EDX) conectada a un microscopio electrónico de barrido.

Los valores K/S y las características de color de las muestras tratadas de PW y BW se midieron utilizando un espectrofotómetro (Minolta CM-3600 d, Tokio, Japón) y luego se compararon con las muestras no tratadas como control.

El contenido de humedad y la densidad de las muestras de madera analizadas se determinaron según las normas ISO 13061-1:201445 e ISO 13061-2:201446, respectivamente. La profundidad de penetración de Se-NP en la madera tratada en los lados tangencial y radial se midió utilizando un pie de rey digital (silverline, Reino Unido).

Las actividades antimicrobianas de las muestras de madera en blanco o de aquellas tratadas con Se-NP contra bacterias G-ve (Escherichia coli), bacterias G+ve (Bacillus cereus y Staphylococcus aureus) y levaduras (Candida albicans) se probaron según la prueba AATCC. (147-1988) y se utilizó la zona de inhibición del crecimiento (mm) como expresión de la actividad antimicrobiana47.

Los datos obtenidos de este estudio fueron analizados estadísticamente utilizando el programa Costat versión 6.311 (software CoHort, Monterey, EE. UU.). Las muestras de madera se compararon mediante análisis estadístico de varianza (ANOVA). Además, se calculó la desviación estándar (DE) de los datos obtenidos. Se utilizó la nueva prueba de rango de Duncan en P = 0,05 para determinar las variaciones significativas entre todas las medias. Cada muestra en este estudio fue analizada tres veces48,49,50.

Las Se-NP preparadas se caracterizaron mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) para estudiar el efecto de la concentración de Se-NP en su morfología y tamaño. Las micrografías TEM confirmaron la formación de Se-NP esféricas bien dispersas, como se muestra en la Figura 2. Además, estas micrografías no mostraron deformación ni agregación en la solución coloidal de las Se-NP sintetizadas. La mayoría de las NP preparadas a una concentración de 25 mM estaban en el rango de 35 a 80 nm. Por otro lado, la mayoría de las Se-NP a una concentración de 50 mM mostraron diámetros más grandes que oscilaron entre 40 y 155 nm, lo que ilustra que el tamaño de las Se-NP aumentó a medida que aumentó la concentración de NP.

Imágenes TEM de Se-NP a diferentes concentraciones de (a, b) 25 mM y (c, d) 50 mM, y espectros UV/Vis de Se-NP sintetizadas a varias concentraciones y selenito de hidrógeno y sodio.

Además, las Se-NP preparadas a una concentración de 25 mM eran esféricas y tenían forma de anillo. Mientras que, se observaron partículas esféricas sólidas ordinarias para las Se-NP sintetizadas a una concentración de 50 mM. Las micrografías obtenidas del análisis TEM revelaron que el área de superficie específica de las Se-NP aumentó con la reducción en la concentración de NP debido a la disminución en los diámetros de las Se-NP y su forma hueca, como se muestra en la Figura 2.

La formación de Se-NP se confirmó mediante el cambio en el color de la solución coloidal de Se-NP de incolora a naranja oscuro debido al fenómeno de resonancia de plasmón superficial (SPR) como resultado de las vibraciones combinadas de los electrones de las Se-NP obtenidas51. Se utilizaron espectros UV-Vis de 200 a 700 nm para la caracterización de Se-NP en concentraciones variadas (25 mM y 50 mM). Las Se-NP exhibieron un pico máximo a aproximadamente 266 nm, lo que confirma la formación de Se-NP en forma esférica52, como se muestra en la Figura 2 (e).

Se llevó a cabo un análisis SEM para confirmar la deposición de las Se-NP sintetizadas en las superficies de madera tratada en los lados transversal y tangencial, en comparación con las muestras de referencia de PW y BW sin tratar. Las micrografías SEM de las muestras de madera en blanco mostraron que sus superficies eran típicamente claras con escamas libres de Se-NP. Un cambio obvio en la morfología de las superficies de los especímenes de madera después de la deposición de Se-NP sobre ellas. Las superficies de PW y BW tratadas con Se-NP exhibieron partículas brillantes y esféricas a nanoescala, lo que indica la presencia de Se-NP en las superficies de la madera tratada, como se muestra en la Figura 3. Las micrografías SEM ilustraron que las Se-NP estaban bien distribuido sobre las superficies de madera tratadas impregnadas con Se-NP. Además, se depositaron más Se-NP en la superficie PW tratada que en la superficie BW. PW exhibe poros más amplios y mayor permeabilidad que BW, lo que le permite absorber mayores cantidades de Se-NP que BW15. Se obtuvieron los espectros EDX de PW y BW tratados con Se-NP para analizar los elementos químicos encontrados en sus superficies. Los espectros EDX de PW y BW impregnados con Se-NP mostraron picos correspondientes a Se-NP en aproximadamente 1,3, 11,2 y 12,5 Kev, lo que confirma la deposición exitosa de Se-NP en sus superficies53, como se muestra en la Figura 3 (e,f) .

Imágenes SEM de (a) PW, (b) BW, el PW tratado, (d) BW con Se-NP 50 mM en la sección transversal, el PW tratado (e), (f) BW con Se 50 mM -NP en el lado tangencial y (g, h) espectros EDX de PW y BW tratados.

Se realizó un análisis XRD para confirmar la síntesis exitosa de las Se-NP preparadas y su deposición en las muestras de madera impregnadas con Se-NP en función de los patrones XRD y la naturaleza de cristalinidad de las Se-NP. Como se muestra en la Figura 4, las Se-NP sintetizadas y las depositadas en las superficies de las muestras de madera eran altamente cristalinas. Además, los planos cristalinos de 100, 101, 102 y 210 observados a 24,28º, 29,24º, 43,64º y 64,28º, respectivamente, fueron atribuidos a Se-NP, como se describe en la base de datos internacional JCPDS 86-224654. Todas las muestras de madera impregnadas con Se-NP mostraron patrones XRD correspondientes a Se-NP, lo que indica la presencia de Se-NP en sus superficies y la deposición de Se-NP en las superficies de las muestras de madera tratada.

Espectros de difracción de rayos X (DRX) de (a) PW tratados y no tratados, y (b) BW tratados y no tratados en comparación con el espectro de Se-NP.

Las mediciones colorimétricas de muestras de madera y de aquellas impregnadas con Se-NP se determinaron espectrofotométricamente para estudiar el efecto de la impregnación de Se-NP en las propiedades de color de las superficies PW y BW. Las muestras de madera impregnadas con Se-NP adquirieron un color naranja oscuro como resultado del tratamiento con Se-NP. Como se muestra en la Figura 5, las Se-NP se depositaron suficientemente en las superficies de las muestras de madera tratadas con buena homogeneidad. Mientras que las muestras en blanco de PW y BW eran claras y libres de NP. La intensidad del color aumentó al aumentar la concentración de Se-NP. Las muestras de PW absorbieron mayores cantidades de NP que las de BW, lo que puede deberse a la variación en su microestructura. BW tiene una permeabilidad menor que la de PW debido a los poros estrechos en su superficie15, como se ilustra en las micrografías SEM en la Figura 3.

Imágenes de superficies PW: (a) en blanco, (b) tratadas con Se-NP 25 mM, (c) tratadas con Se-NP 50 mM, superficies BW: (d) en blanco, (e) tratadas con Se-NP 25 mM , (f) tratado con Se-NP 50 mM, penetración de Se-NP 50 mM en (g) PW y (h) BW tratado con Se-NP 50 mM en la sección radial, y el efecto de la concentración de Se-NP y tiempo de impregnación en valores K/S de (i) el PW tratado, y (j) el BW tratado a 360 nm.

Los datos de intensidad del color (K/S) de la madera PW y BW se midieron después de la impregnación con Se-NP a 25 y 50 mM durante varios períodos de 2 horas, 1 día, 2 días y 1 semana, como se muestra en la Figura 5. A bajas concentraciones de Se-NP, las muestras tratadas de PW y BW exhibieron valores K/S positivos bajos. Con un aumento en la concentración de Se-NPs, el valor K/S aumentó y las muestras tratadas dieron un tono más rojizo a las muestras de madera. Las muestras de PW impregnadas con Se-NP exhibieron valores de K/S más altos que las de las BW tratadas, como se muestra en la Figura 5. Esto se debe al hecho de que las fibras de BW son generalmente más cortas y de menor diámetro que las de PW. Además, los hoyos en las fibras del BW son mucho más pequeños y menos numerosos y, por tanto, menos llamativos que los del PW55,56.

El valor K/S más alto se registró para las muestras de PW en un tiempo de impregnación de 2 horas a una concentración de Se-NP 50 mM. Además, el color de las muestras de PW tratadas disminuyó a medida que aumentó el tiempo de impregnación, excepto aquellas impregnadas con Se-NP 25 mM durante una semana, que mostraron valores de K/S más altos que aquellas impregnadas con la misma concentración durante 2 días. La disminución en el valor K/S puede deberse a la agregación de Se-NP debido al aumento en el tiempo de impregnación y por lo tanto al aumento de la cantidad de Se-NP que fomenta la agregación de NP. Mientras que los valores K/S más altos de las muestras de BW tratadas se obtuvieron después de 2 días de impregnación. BW tiene menos permeabilidad que PW15; por lo tanto, absorbe menos Se-NP en la superficie, lo que significa una baja concentración de Se-NP y una agregación lenta a lo largo del tiempo en la superficie, como se muestra en la Figura 5.

La densidad de la madera se considera una medida importante y corresponde a varias propiedades mecánicas de la madera57. Los valores de densidad promedio de PW tratados y no tratados fueron más bajos que los de BW. Esta variación en la densidad puede deberse a la diferencia en las microestructuras de PW y BW. PW presenta poros más amplios y mayor permeabilidad que BW15. Los valores más altos de densidad de PW tratados (0,426 y 0,434 g/cm3) se observaron después de períodos de impregnación de 2 días para aquellos tratados con 25 y 50 mM de Se-NP, respectivamente, y no hubo variaciones significativas en el valor de densidad entre ellos y los no tratados. PW, como se enumera en la Tabla 1. Sin embargo, los valores de densidad promedio de los otros PW tratados con Se-NP fueron más bajos que la muestra en blanco. La impregnación con Se-NP 25 mM durante 2 horas y 1 día y con 50 mM durante 1 día condujo a una disminución significativa en la densidad de PW en comparación con el blanco. Esta reducción en la densidad puede deberse a la expansión de la madera como resultado del proceso de impregnación y absorción de agua58 que condujo a una disminución obvia en la densidad del PW. Sin embargo, un aumento en el tiempo de impregnación puede provocar la deposición de más Se-NP en la superficie y un aumento en los valores de densidad59. Además, los valores de densidad más altos de BW tratados se obtuvieron para aquellos impregnados con Se-NP (25 mM y 50 mM) durante solo 2 horas. Además, hubo un aumento significativo en la densidad de BW como resultado del aumento en la concentración de Se-NP en un tiempo de impregnación de 2 horas. Además, no se observaron variaciones significativas entre los valores de densidad media de las otras muestras de BW tratadas y la muestra en blanco. En general, los valores de densidad de las muestras de madera tratadas con Se-NP 50 mM fueron generalmente más altos que los tratados con Se-NP 25 mM. Esta variación puede deberse al aumento en la concentración de las Se-NP depositadas, que exhiben una alta densidad en comparación con la madera analizada.

Se determinó el contenido de humedad de la madera tratada y sin tratar para estudiar el efecto de la concentración de Se-NP y el tiempo de impregnación sobre el contenido de humedad de la madera analizada, como se muestra en la Tabla 1. El contenido de humedad de la BW sin tratar fue significativamente menor que el de PW sin tratar, que tiene mayor permeabilidad y poros más grandes que BW15,55. En el caso de las PW, el contenido de humedad aumentó significativamente respecto a la muestra blanco como resultado del proceso de impregnación con Se-NPs, excepto en aquellas impregnadas con Se-NPs 50 mM durante 2 hrs, que mostraron un aumento no significativo en contenido de humedad en comparación con el control PW. En general, el contenido de humedad de las muestras de PW y BW tratadas con Se-NP 50 mM disminuyó significativamente en comparación con aquellas tratadas con Se-NP 25 mM en el mismo tiempo de impregnación para el mismo tipo de madera. Esta disminución puede deberse al aumento en la cantidad de NP depositadas en la superficie a medida que aumenta la concentración de Se-NP, lo que puede minimizar la absorción de agua. Por lo tanto, la impregnación con NP metálicas como las Se-NP es un bloqueo relativamente físico que reduce la penetración de agua en la madera impregnada y mejora las propiedades físicas e hidrofóbicas de la madera tratada con Se-NP60.

Se descubrió que la profundidad de la penetración de Se-NP en la madera tratada variaba según el cambio en la concentración de Se-NP, el tiempo de impregnación y el tipo de madera analizada. Respecto al tipo de madera, los valores promedio de profundidad de penetración de las NP-Se en PW tanto en el lado tangencial como en el radial fueron significativamente mayores que los de BW en el mismo tiempo de impregnación, como se muestra en la Figura 5, excepto aquellas impregnadas con NP-Se (25 y 50 mM) durante 1 día o con 25 mM Se-NP durante 1 semana, como se muestra en la Tabla 1. BW exhibe menos permeabilidad que PW debido a su microestructura con poros estrechos que pueden minimizar la penetración de Se-NP en las muestras de BW analizadas15, 56.

No hubo variaciones significativas en la profundidad de penetración en el lado tangencial entre las muestras de PW tratadas con el cambio en las concentraciones de Se-NP en el mismo tiempo de impregnación, excepto para aquellas impregnadas durante 2 días. Mostraron un aumento significativo en la penetración de Se-NP con la disminución de la concentración de Se-NP en el lado tangencial. Además, se obtuvieron resultados similares en el lado radial, excepto aquellos tratados con Se-NP 25 mM durante 2 horas, que mostraron un aumento significativo en la profundidad de penetración al aumentar la concentración de Se-NP. Esta alta penetración puede deberse a una gran cantidad de Se-NP a alta concentración (50 mM) y al bajo tiempo de impregnación que evita la agregación de NP en comparación con largos períodos de impregnación. Los resultados obtenidos indicaron que las Se-NP de tamaño relativamente pequeño se depositaron bien dentro de la madera en comparación con las partículas agregadas, que pueden eliminarse fácilmente durante el proceso de lixiviación. No se observaron variaciones significativas en la profundidad de penetración en los lados radial y tangencial entre los BW tratados en el mismo período de impregnación con el cambio en la concentración de Se-NP, excepto aquellos impregnados durante 1 semana. Mostraron una disminución significativa en la profundidad de penetración a medida que aumentó la concentración de Se-NP, como se enumera en la Tabla 1.

Las actividades antimicrobianas de muestras de madera tratadas con Se-NP se evaluaron utilizando el método de la zona de inhibición según el método descrito por Munir et al.61. Se probaron las actividades antimicrobianas contra Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Candida albicans y Bacillus cereus. Las muestras de PW impregnadas con Se-NP mostraron actividades antimicrobianas más altas que las de las muestras de BW tratadas debido a la alta permeabilidad de PW (madera blanda) en comparación con la de BW (madera dura), lo que permite que las Se-NP penetren en las capas de madera y aumentan el Se. -Concentración de NPs en su interior55,56. Además, la concentración de Se-NP afectó las actividades antimicrobianas de las muestras de madera tratadas. En el caso de PW, las muestras de madera tratadas con una alta concentración de Se-NP (50 mM) mostraron una mayor actividad antimicrobiana que las muestras empapadas en una solución coloidal de Se-NP a una concentración de 25 mM. Por otro lado, las muestras de BW tratadas con una baja concentración de Se-NP mostraron una mayor actividad antimicrobiana que las muestras impregnadas con una alta concentración de Se-NP. Esto puede deberse a los poros estrechos en el caso del BW, que obstruyen la permeabilidad de las Se-NP y provocan la acumulación de Se-NP en la superficie de la madera a medida que aumenta el período de remojo. Por lo tanto, la agregación de Se-NP conduce a un aumento en el tamaño de las Se-NP y, por lo tanto, disminuye su actividad antimicrobiana. Como se muestra en la Figura 1, las Se-NP en una concentración baja de 25 mM tenían pequeñas nanopartículas que oscilaban entre 30 y 80 nm, lo que mejoraba su permeabilidad a través de la superficie BW y reducía la posibilidad de agregación. Además, su forma hueca aumentó su área específica y sus actividades antimicrobianas en comparación con las de las Se-NP preparadas a 50 mM. La mayor actividad antimicrobiana se obtuvo en el caso de muestras de PW tratadas con Se-NP 50 mM contra E. coli. Además, S. aureus mostró una mayor sensibilidad a la disminución de los diámetros de las Se-NP. La actividad antimicrobiana de las muestras de madera tratadas con Se-NP contra S. aureus aumentó con una disminución en el tamaño de las Se-NP y un aumento en el período de remojo tanto en PW como en BW. Por otro lado, Candida albicans fue más resistente al efecto de las Se-NP que los otros microbios probados, como se muestra en la Tabla 2.

En este estudio, logramos la impregnación de Se-NP en superficies PW y BW para obtener madera antimicrobiana con buenas propiedades de color y alta durabilidad. Las Se-NP preparadas en concentraciones de 25 y 50 mM se caracterizaron mediante identificación instrumental, confirmando la formación de partículas de Se a nanoescala. Los diámetros de las Se-NP disminuyeron al aumentar la concentración, lo que también afectó la morfología de las NP. A 25 mM, las Se-NP eran esféricas con forma hueca, mientras que las Se-NP sintetizadas a 50 mM tenían solo forma esférica. Además, las Se-NP preparadas se impregnaron en diferentes concentraciones durante varios períodos en las superficies PW y BW para estudiar el efecto de la concentración de Se-NP y el tiempo de impregnación sobre el color y las propiedades antimicrobianas de las muestras de madera. Las muestras de madera impregnadas con Se-NP se examinaron mediante análisis EDX, SEM y XRD, que ilustraron la deposición exitosa de Se-NP en las superficies de madera tratada. Los resultados de las propiedades de color revelaron que los valores K/S más altos se obtuvieron después de la impregnación con Se-NP 50 mM durante 2 horas y 2 días de tiempo de impregnación en el caso de PW y BW, respectivamente. Las mejores actividades antimicrobianas se obtuvieron después de la impregnación de Se-NP en PW a una concentración de 50 mM durante 1 semana y el tratamiento de BW con 25 mM de Se-NP durante 2 días. Los tratamientos PW y BW utilizando Se-NP fueron útiles para mejorar el color y las propiedades antimicrobianas de la madera probada, asegurando así la aplicabilidad de Se-NP como capa protectora y decorativa para superficies de madera y mejorando la durabilidad de la madera. PW y BW, como especies de madera blanda y dura, se prefieren y se emplean en la fabricación de muebles, edificios y proyectos de interior y exterior. En este sentido, el aumento de la durabilidad de la madera mediante el tratamiento con Se-NP mejora la aplicabilidad de PW y BW en estos campos.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria].

Namicev, P. & Petrovski, M. La madera como selección principal de material para la producción de muebles. J. Gestión de procesos. Tecnología. 7, 6-12 (2019).

Artículo de Google Scholar

Namicev, P. & Petrovski, M. El impacto de la aplicación de la madera en la preparación tecnológica para la fabricación de muebles. J. Gestión de procesos. Tecnología. 7, 1–9 (2019).

Artículo de Google Scholar

Osamah, MG Estudio comparativo entre madera dura y blanda. Universidad J. Babylon. Ciencia 23, 563–564 (2016).

Google Académico

Chuchalá, D. et al. Efecto del método de secado de la madera de pino y haya sobre la tenacidad a la fractura y el límite elástico al corte. Materiales Basilea. 13, 4692 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

McLean, P. y otros. Propiedades y usos de la madera del pino silvestre en Gran Bretaña. Res. Informe-Comun. Forestal. Reino Unido (2019).

(EE. UU.), Manual de madera de FPL: la madera como material de ingeniería. (El Laboratorio, 1987).

Vasiliki, K. & Barboutis, I. Determinación de las propiedades físicas y mecánicas de las perspectivas de utilización de la madera de haya Fagus sylvatica L. en Grecia. Biyolojik Çeşitlilik ve Koruma 9, 58–63 (2016).

Google Académico

Eckelman, CA La contracción e hinchazón de la madera y su efecto en los muebles. (Servicio de Extensión Cooperativa de la Universidad Purdue, 1998).

Reeb, JE y otros. Relaciones madera y humedad. (1995).

Papadopoulos, AN, Bikiaris, DN, Mitropoulos, AC & Kyzas, GZ Nanomateriales y modificaciones químicas para mejorar las propiedades de la madera clave: una revisión. Nanomateriales 9, 607 (2019).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Saad, RM Los efectos negativos de las industrias de muebles de madera en Egipto y formas de evitarlos. En t. Des. J. 6, 183-193 (2016).

Google Académico

Teng, T.-J. et al. Tecnología convencional y nanotecnología en la conservación de la madera: una revisión. BioResources 13, 9220–9252 (2018).

Artículo de Google Scholar

Shirsat, S. y col. Una síntesis rápida ecológica de nanopartículas de selenio basada en la fisicocultura. RSC Avanzado. 6, 48420–48426 (2016).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Bak, M. & Németh, R. Efecto de diferentes tratamientos con nanopartículas sobre la resistencia a la descomposición de la madera. BioRecursos 13, 7886–7899 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Fufa, SM & Hovde, PJ Modificaciones de la madera basadas en nanopartículas y su impacto ambiental: revisión. en Actas de la 11ª Conferencia Mundial de Ingeniería de la Madera 20-24 (2010).

Papadopoulos, AN & Taghiyari, HR Tratamientos innovadores de superficies de madera basados en nanotecnología. Recubrimientos 9, 866 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Sow, C., Riedl, B. & Blanchet, P. Recubrimientos nanocompuestos de poliuretano-acrilato a base de agua UV que contienen nanopartículas de alúmina y sílice para madera: evaluación de propiedades mecánicas, ópticas y térmicas. J. Tecnología de recubrimientos. Res. 8, 211–221 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Abdulazeem, L., Hussien, MD, AL-Gburi, NM & Jassani, MJAL En Minireview: Nanomaterial a los antimicrobial agentes. Eur. J. Mol. Clin. Med. 7, 2020 (2020).

Riaz, S. et al. Acabado funcional y coloración de textiles con nanomateriales. Color. Tecnología. 134, 327–346 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Hoglund, M. y col. Procesamiento sencillo de nanocompuestos de madera transparentes con color estructural a partir de nanopartículas plasmónicas. Química. Madre. 33, 3736–3745 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Tay, LL Plasmones de superficie. Enciclopedia Ciencia del color. Tecnología. 1186-1195 (2016).

Bharmoria, P. & Ventura, SPM Aplicaciones ópticas de nanomateriales. Nanomáter. Sanar. Entorno energético. 1–29 (2019).

Yildirim, M. & Candan, Z. Propiedades de rendimiento de paneles de aglomerado modificados con nanocelulosa/ácido bórico. BioRecursos 16, (2021).

Zor, M. y col. Compuestos de madera y plástico (WPC): aplicaciones de nanomateriales. en Nanomateriales emergentes: oportunidades y desafíos en los sectores forestales 97–133 (Springer, 2022).

Deka, BK, Mandal, M. & Maji, TK Efecto de las nanopartículas sobre la inflamabilidad, la resistencia a los rayos UV, la biodegradabilidad y la resistencia química de los nanocompuestos de polímeros de madera. Ing. de Indiana. Química. Res. 51, 11881–11891 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Morrell, JJ & Silva Guzman, A. Métodos de laboratorio para evaluar la resistencia de los compuestos plásticos de madera al ataque de hongos. En t. Res. Gramo. Prot. de madera. Existencias. (2006).

Candan, Z. & Akbulut, T. Paneles de madera contrachapada de nanoingeniería: propiedades de rendimiento. Compos. Parte B Ing. 64, 155-161 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Candan, Z. & Akbulut, T. Propiedades físicas y mecánicas de compuestos de tableros de partículas nanoreforzados. Maderas. Ciencia. y Tecnol. 17, 319–334 (2015).

CAS Google Académico

Yildirim, M., Candan, Z. y Gonultas, O. Análisis del rendimiento químico de resina UF híbrida reforzada con nanocelulosa/compuesto de boro. Mater Verde. 10, 90–96 (2021).

Artículo de Google Scholar

Candan, Z. & Akbulut, T. Desarrollo de paneles compuestos de madera respetuosos con el medio ambiente mediante nanotecnología. BioRecursos 8, 3590–3598 (2013).

Artículo de Google Scholar

Anastas, PT y Warner, JC Química verde. Fronteras (Boulder). 640, 1998 (1998).

Singh, M., Manikandan, S. y Kumaraguru, AK Nanopartículas: una nueva tecnología con amplias aplicaciones. Res. J. Nanosci. Nanotecnología. 1, 1-11 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Raja, RK, Hazir, S., Balasubramani, G., Sivaprakash, G., Obeth, ES, Pugazhendhi, A., Raj, R. & Arun, A.. Nanotecnología verde para el medio ambiente. Mano. Microbio. Nanotecnología. 461–478 (2022).

Sharma, D., Kanchi, S. y Bisetty, K. Síntesis biogénica de nanopartículas: una revisión. Árabe. J. química. 12, 3576–3600 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Bahrulolum, H. y col. Síntesis verde de nanopartículas metálicas mediante microorganismos y su aplicación en el sector agroalimentario. J. Nanobiotecnología 19, 1–26 (2021).

Artículo de Google Scholar

Grasso, G., Zane, D. & Dragone, R. Nanotecnología microbiana: desafíos y perspectivas para la síntesis biocatalítica verde de materiales a nanoescala para aplicaciones sensorísticas y biomédicas. Nanomateriales 10, 11 (2019).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Kondaparthi, P., Flora, SJS y Naqvi, S. Nanopartículas de selenio: una visión de sus propiedades prooxidantes y antioxidantes. Frente. Nanociencia. Nanotecnología 6, 1–5 (2019).

Artículo de Google Scholar

Mates, I. et al. Nanopartículas de selenio: Producción, caracterización y posibles aplicaciones en biomedicina y ciencia de los alimentos. Ciencia. Toro. B Química. Madre. Ciencia. UPB 81, 205-216 (2019).

Ferro, C., Florindo, HF & Santos, HA Nanopartículas de selenio para aplicaciones biomédicas: desde el desarrollo y la caracterización hasta la terapéutica. Adv. Saludc. Madre. 10, 2100598 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Murugesan, G., Nagaraj, K., Sunmathi, D. & Subramani, K. Métodos involucrados en la síntesis de nanopartículas de selenio y sus diferentes aplicaciones: una revisión. EUR. J. Biomed. 6, 189-194 (2019).

CAS Google Académico

Escobar-Ramírez, MC et al. Actividad antimicrobiana de Se-nanopartículas procedentes de biotransformación bacteriana. Fermentación 7, 130 (2021).

Artículo de Google Scholar

Elmaaty, TA, Raouf, S., Sayed-Ahmed, K. & Plutino, MR Teñido multifuncional de tejidos de lana utilizando nanopartículas de selenio. Polímeros Basilea. 14, 191 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ramamurthy, CH y cols. Síntesis verde y caracterización de nanopartículas de selenio y su citotoxicidad aumentada con doxorrubicina en células cancerosas. Bioproceso. Biosistema. Ing. 36, 1131-1139 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

EN, BS BS EN 84: conservantes de la madera, envejecimiento acelerado de la madera tratada antes de las pruebas biológicas. Procedió la lixiviación. EUR. Comunitario. Pararse. Centavo. Secreto. calle Stassart 36, (1997).

13061–1, ISO Propiedades físicas y mecánicas de la madera: métodos de prueba para pequeñas muestras de madera clara. Parte 1: Determinación del contenido de humedad para pruebas físicas y mecánicas (2014).

13061–2, ISO Propiedades físicas y mecánicas de la madera: métodos de prueba para pequeñas muestras de madera clara. Parte 2: determinación de la densidad para pruebas físicas y mecánicas (2014).

Asociación Estadounidense de Químicos y Coloristas Textiles, A. 147–2004. Evaluación de la actividad antibacteriana de materiales textiles. (2021).

Duncan, DB Múltiples rangos y múltiples pruebas F. Biometría 11, 1–42 (1955).

Artículo MathSciNet Google Scholar

Gomez, KA & Gomez, AA Procedimientos estadísticos para la investigación agrícola. (John Wiley e hijos, 1984).

CoStat, V. Cohort software798 light house Ave. PMB320, Monterey, CA93940 y EE. UU. correo electrónico: [email protected] y sitio web: http://www.cohort.com. DescargarCoStatPart2.html (2005).

Gangadoo, S., Stanley, D., Hughes, RJ, Moore, RJ y Chapman, J. La síntesis y caracterización de nanopartículas de selenio altamente estables y reproducibles. Inorg. Química de nanometales. 47, 1568-1576 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Elmaaty, TA, Raouf, S. y Sayed-Ahmed, K. Nueva impresión en un solo paso y acabado funcional de tejidos de lana utilizando nanopartículas de selenio. Fibras Poliméricas. 21, 1983-1991 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Abou Elmaaty, T. et al. Nuevos tejidos de poliéster duraderos, antivirales y antibacterianos, impresos con nanopartículas de selenio (SeNP). Polímeros (Basilea). 14, 955 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Vieira, AP y cols. 'Dulce química': una vía verde para la obtención de nanopartículas de selenio activas contra las células cancerosas. J. Braz. Química. Soc. 28, 2021-2027 (2017).

CAS Google Académico

Wiedenhoeft, AC & Miller, RB Estructura y función de la madera. Mano. Química de la madera. Compuestos de madera. 9–33 (2005).

Hawley, LF Relaciones madera-líquido. (Departamento de Agricultura de Estados Unidos, 1931).

Laskowska, A. Perfil de densidad y dureza de la madera de haya, roble y pino modificada termomecánicamente. Drewno. Pr. Nauk. Doniesienia. Komun. 63, (2020).

Iejavs, J. et al. La eficacia de diferentes revestimientos de madera contra la absorción de agua en la superficie. Sostenimiento Rural. Res. 45, 28–37 (2021).

Google Académico

AbouElmaaty, T., Sayed-Ahmed, K., MohamedAli, R., El-Khodary, K. & Abdeldayem, SA Coloración sonoquímica simultánea y funcionalización antibacteriana del cuero con nanopartículas de selenio (SeNP). Polímeros (Basilea). 14, 74 (2021).

Artículo de Google Scholar

Bak, M. y col. Efecto de las nanopartículas sobre las relaciones madera-agua. ProLigno 13, 308–315 (2017).

Google Académico

Munir, MT y cols. Prueba de las características antimicrobianas de los materiales de madera: una revisión de los métodos. Antibióticos 9, 225 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Descargar referencias

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB).

Departamento de Estampado, Teñido y Acabado de Textiles, Facultad de Artes Aplicadas, Universidad de Damietta, Damietta, 34512, Egipto

Tarek Abou Elmaaty

Departamento de Diseño de Interiores y Mobiliario, Facultad de Artes Aplicadas, Universidad de Damietta, Damietta, 34512, Egipto

Abeer Swidan y Nancy Zaghloul

Departamento de Biotecnología Agrícola, Facultad de Agricultura, Universidad de Damietta, Damietta, 34512, Egipto

Khaled Sayed-Ahmed

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

TAE concibió la idea original de este estudio y participó en el diseño, coordinación y redacción del manuscrito. Nueva Zelanda fue responsable de los experimentos de impregnación, mediciones de color y preparación de muestras para pruebas de actividad antimicrobiana. KS preparó las NP además de su caracterización e interpretó los resultados de las propiedades antimicrobianas y de color. KS y NZ fueron responsables del análisis estadístico. AS revisó la metodología de impregnación y discutió los datos obtenidos sobre las propiedades del color. Todos los autores participaron en la redacción y redacción del manuscrito.

Correspondencia a Tarek Abou Elmaaty o Khaled Sayed-Ahmed.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado a los autores originales y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Elmaaty, TA, Swidan, A., Sayed-Ahmed, K. et al. Un enfoque novedoso para mejorar el color y las propiedades antimicrobianas de la madera de pino y haya utilizando Se-NP. Informe científico 13, 12972 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39748-5

Descargar cita

Recibido: 28 de abril de 2023

Aceptado: 30 de julio de 2023

Publicado: 10 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39748-5

Cualquier persona con la que comparta el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.