Yöntem makalesi

Çinko Oksit Nanopartiküllerinin Hazırlanması ve Antibakteriyel Etkilerinin Değerlendirilmesi

3.5K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/66725

⸱

27 Eylül 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Integrative Engineering, Chung-Ang University, 2Feynman Institute of Technology, Nanomedicine Corporation, 3Department of Chemical Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, 4Department of Chemical Engineering, Kumoh National Institute of Technology

* These authors contributed equally

Bu makalede

Özet

Bu çalışmada, çinko oksit nanopartikülleri bir çökeltme yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Sentezlenen partiküllerin antibakteriyel etkisi, çoklu ilaca dirençli metisiline dirençli Staphylococcus aureus (MRSA) ve Pseudomonas aeruginosa bakteri suşlarına karşı test edilmiştir.

Özet

Nozokomiyal bakteriyel enfeksiyonlar, antibiyotiklere karşı doğal dirençleri nedeniyle giderek daha zor hale gelmiştir. Hastanelerde çoklu ilaca dirençli bakteri suşlarının ortaya çıkması, antibiyotiklerin yaygın ve çeşitli kullanımına bağlanmış ve antibiyotik direnci sorununu daha da kötüleştirmiştir. Metal nanomalzemeler, antibiyotiğe dirençli bakteri hücrelerini yok etmek için alternatif bir çözüm olarak geniş çapta incelenmiştir. Metalik nanopartiküller, antibakteriyel iyonların salınması, reaktif oksijen türlerinin oluşumu veya bakterilerin direnç geliştiremediği fiziksel bozulma gibi çeşitli mekanizmalar yoluyla bakteri hücrelerine saldırır. Aktif olarak araştırılan antimikrobiyal metal nanopartikülleri arasında FDA onaylı olan çinko oksit nanopartikülleri, biyouyumlulukları ve antibakteriyel özellikleri ile bilinmektedir. Bu çalışmada, çinko oksit nanopartiküllerinin sentezlenmesi, bu nanopartiküllerin özelliklerinin analiz edilmesi ve antimikrobiyal testlerin yapılması için başarılı bir çökeltme yöntemi geliştirmeye odaklandık. Çinko oksit nanopartikülleri, transmisyon elektron mikroskobu (TEM), dinamik ışık saçılımı (DLS), ultraviyole/görünür spektroskopi ve X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak karakterize edildi. Antibakteriyel testler, metisiline dirençli Staphylococcus aureus (MRSA) ve Pseudomonas aeruginosa'nın çoklu ilaca dirençli suşları ile et suyu mikrodilüsyon testi kullanılarak gerçekleştirildi. Bu çalışma, çinko oksit nanopartiküllerinin antibiyotiğe dirençli bakterilerin çoğalmasını engelleme potansiyelini göstermiştir.

Giriş

Çoklu ilaca dirençli (MDR) bakteriyel enfeksiyonlar, insan sağlığı için önemli bir küresel tehdit oluşturmaktadır1. Bu enfeksiyonlar altta yatan rahatsızlıkları olan hastalarda ölümcül olabileceğinden, aktif araştırmalar bu sorunu ele almaya çalışmaktadır2. Bakteriler, çeşitli ilaçların etkisinden kaçmak için evrimleşmiştir. Yaygın olarak bilinen ve dünya çapında milyonlarca hayat kurtarmasıyla tanınan penisilin, bakteri hücre duvarınınsentezini engelleyen β-laktam bir antibiyotiktir 3. Bununla birlikte, bakteriler, akış pompaları, transpeptidaz değişiklikleri veya azalmış geçirgenlik gibi çeşitli mekanizmalar yoluyla ilaçların etkinliğini nötralize etmek için evrimleşmiştir4. Ek olarak, bakteri hücreleri bu direnç genlerini bir sonraki nesle iletebilir, bu da bir sonraki neslin hayatta kalma oranlarını arttırır ve dirençli suşlar problemini güçlendirir5.

Antibiyotiğe dirençli bakterilerin artması, yaygın olarak çoklu antibiyotiğe direnç gösteren MDR bakterilerinin ortaya çıkmasına neden olmuştur. ÇİD suşlarına en sık hastane ortamlarında rastlanır, burada birden fazla bakteri suşuna maruz kalınır ve sonuç olarak farklı antibiyotiklere direnç gelişir6. Staphylococcus aureus, özellikle metisiline dirençli S. aureus (MRSA), insanların yaklaşık %30'unun cildinde kümeler oluşturan gram pozitif kommensal bir bakteridir 7,8. İlk olarak 1960'larda tanımlanan MRSA, β-laktam antibiyotiklere karşı azalmış duyarlılık sergiler ve bu da 1990'lardan bu yana enfeksiyon oranlarında keskin bir artışa neden olur9. Gram negatif bakteriler arasında, Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) hastanelerde edinilen en yaygın suşlardan biridir. Fakültatif çubuk şeklinde bir bakteri olan bu tür, insanlarda fırsatçı enfeksiyonlara neden olur10. Özellikle, insan sağlığını doğrudan etkileyen MDR suşları, sağlık hizmetleriyle ilişkili enfeksiyonların %50'sinden fazlasından sorumludur11. Bu çalışmada hastanelerde en sık karşılaşılan çoklu ilaca dirençli suşlar olan MRSA ve P. aeruginosa kullanıldı.

Nanopartiküllerin (NP'ler) antimikrobiyal amaçlar için kullanımı, antibiyotik direnci sorununun üstesinden gelmek için kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Özellikle metalik NP'ler, çeşitli mekanizmalar yoluyla bakteriyel hücre ölümüne neden olarak ilaç direnci sorununa potansiyel bir çözüm sunar. Metalik NP'ler, diğer yolların yanı sıra antimikrobiyal iyonların salınması, reaktif oksijen türlerinin (ROS) üretilmesi ve hücrelerin fiziksel olarak bozulması dahil olmak üzere çoklu mekanizmalar yoluyla antimikrobiyal aktivite uygular12. Gümüş, bakır, çinko oksit (ZnO) ve titanyum oksitten oluşan NP'ler yüksek antimikrobiyal etkinliğe sahiptir ve bu nedenle aktif olarak araştırılmaktadır13.

ZnO NP'ler, insanlarda kullanım için ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından onaylanmıştır. Tersine, yüksek antimikrobiyal etkinliklerine rağmen, insanlarda gümüş ve bakır NP'lerin kullanımı, yüksek sitotoksisiteleri ile sınırlıdır. Bununla birlikte, ZnO NP'ler günlük yaşamda yaygın olarak bulunur ve yaygın olarak kullanılan güneş koruyucu formülasyonlarda bile bulunur14. Dikkat çekici bir şekilde, ZnO NP'lerden salınan Zn2 + iyonları, bakteriyel tedavide oldukça etkilidir ve ROS oluşumu ve diğer fiziksel hasar mekanizmaları15 yoluyla bakteriyel hücre ölümüne neden olur.

Bu çalışma, bir çökeltme yöntemi kullanılarak ZnO nanopartiküllerinin (NP'ler) sentezlenmesi için protokolün ana hatlarını çizmekte ve MRSA ve P. aeruginosa'nın klinik örnekleri ile bir mikrobroth seyreltme yöntemi kullanan bir antimikrobiyal test yaklaşımı sunmaktadır. ZnO NP'ler için çökeltme yöntemi, çinko asetat veya çinko nitrat16 gibi çözünür öncüler kullanılarak pH ve sıcaklığı ayarlayarak çözünmeyen katı ZnO NP'lerin sentezlenmesini içerir. Nispeten kolay ve hızlı üretimin yanı sıra, bu yöntem sentezde tekrarlanabilirliği sağlar ve parçacık boyutu ve morfolojisi üzerinde kontrolü kolaylaştırır17. Bu sentez protokolünde, çinko asetatı çökeltmek için en yaygın kullanılan çökeltme ajanlarından biri olan sodyum hidroksit (NaOH) kullanıldı ve nanopartiküllerin18 kontrolsüz sentezini inhibe etmek için az miktarda hekzadesiltrimetilamonyum bromür (CTAB) kullanıldı. Çeşitli antimikrobiyal testler arasında, ZnO nanopartiküllerinin antibakteriyel aktivitesi, metal oksit nanopartiküllerinden optik paraziti önleyen ve MIC19'u belirlemek için doğrudan koloni ölçümünü mümkün kılan mikrobroth seyreltme yöntemi kullanılarak değerlendirildi.

Protokol

Bu çalışmada kullanılan reaktifler ve ekipmanlar Malzeme Tablosunda listelenmiştir.

1. Çinko oksit nanopartiküllerinin hazırlanması

  1. 200 mL mutlak etil alkolü ölçün ve cam yuvarlak tabanlı bir şişeye dökün.
  2. Yuvarlak tabanlı şişeyi bir ısıtma mantosu üzerine yerleştirin ve 25-40 °C'de karıştırmaya devam edin.
  3. 50 mL'lik bir şişede 500 mg CTAB ölçün ve şişedeki etil alkole ekleyin. CTAB tamamen eriyene kadar karıştırın.
  4. Çözeltiye 1.4 g çinko asetat ekleyin ve tamamen eriyene kadar karıştırın.
  5. Isıtma mantosu sıcaklığını 70 °C'ye ayarlayarak çözeltinin sıcaklığını yükseltin.
  6. Karışıma 25 mL 0.5 M NaOH çözeltisi ekleyin ve berrak çözelti beyaz renk alana kadar 1 saat reaksiyona girmesine izin verin.
  7. Çözeltiyi 50 mL konik tüplere alın, oda sıcaklığında 15 dakika boyunca 15000 × g'da santrifüjleyin ve ardından süpernatanı atın.
  8. Konik tüplerden birine 10 mL damıtılmış su ekleyin ve çözeltiyi sonikleştirerek nanopartikülleri yeniden süspanse edin. Askıda kalan çözeltiyi ZnO peletini içeren farklı bir konik tüpe aktarın ve tüm ZnO çözeltileri tek bir konik tüpte toplanana kadar tekrarlayın.
  9. Nanopartikülleri 15000 × g'da 15 dakika (oda sıcaklığında) santrifüjleme yoluyla yıkayın, süpernatanı çıkarın ve damıtılmış suda yeniden süspanse edin. pH test kağıdı kullanarak süpernatan çözeltinin pH'ını kontrol edin ve çözeltinin pH'ı nötr olana kadar tekrarlayın.
    NOT: Süpernatant çözeltinin pH'ı nötr hale geldiğinde (pH = 7), süpernatan çözeltiyi atın ve damıtılmış su ile yeniden süspanse etmeyin.
  10. Numune paletini 60 °C'de 24 saat vakumla kurutun ve ZnO NP tozunu elde edin.

2. MRSA ve P. aeruginosa kullanılarak yapılan antibakteriyel testler

  1. Bakteri kültürü
    NOT: Klinik MDR bakteri suşları, Güney Kore'nin Seul kentindeki Chung-Ang Üniversite Hastanesi'nden elde edilmiştir.
    1. Triptik Soya Suyu (TSB) içinde stoklanan MRSA ve P. aeruginosa bakteri türlerini derin dondurucudan çıkarın.
    2. Bakteriyel çözeltileri çözdükten sonra, çözeltiyi tek kullanımlık bir aşılama döngüsü kullanarak bir Triptik Soya Agar (TSA) plakasına sürün. Çizgili agar plakalarını inkübatöre yerleştirin ve 24 saat inkübe edin.
      NOT: TSA plakasından alınan tek bir koloni, bir bakteri aşılama halkası kullanılarak 50 mL'lik konik bir tüpte 10 mL TSB ortamına eklendi. Bakteriler 24 saat boyunca kültürlendi. Bakteriler aerobik kültür koşulları altında 37 °C'de kültürlendi.
    3. Bakteri çözeltisinin konsantrasyonunu ölçmek için, kültürlenmiş çözeltiyi 10 kat seri seyreltme kullanarak damıtılmış su kullanarak 10-6'ya seyreltin. Daha sonra, seyreltilmiş çözeltinin 50 μL'sini TSA plakalarına yerleştirin ve çözeltiyi L şeklinde bir yayıcı kullanarak yayın.
    4. Plakaları inkübatörde 24 saat inkübe edin.
      NOT: Koloniler optik olarak sayıldı ve kültürlenmiş çözeltinin konsantrasyonu, seyreltme faktörlerinin sayılan koloni sayısı ile çarpılmasıyla hesaplandı.
  2. Bakteri örneklemesi
    1. Çok çeşitli ZnO konsantrasyonlarını test etmek için, Dulbecco'nun Fosfat Tamponlu Tuzlu Suyunu (DPBS) kullanarak 2 mg / mL ZnO NP çözeltisi hazırlayın ve farklı konsantrasyonlar yapmak için 2 kat seri seyreltme gerçekleştirin.
      NOT: 1000 μg/mL, 500 μg/mL, 250 μg/mL, 125 μg/mL ve 62.5 μg/mL test edildi.
    2. Test edilen ZnO NP konsantrasyonlarının her biri için 96 oyuklu bir plakaya 100 μL ekleyin.
      NOT: Kuyucuktaki her numune 100 μL bakteri kültürü ilavesiyle seyreltileceğinden, istenen nihai ZnO NP konsantrasyonunun iki katını (2x) kullanın. Pozitif kontrol olarak% 2 Antibiyotik-Antimikotik (A / A) çözeltisi ve negatif kontrol olarak DPBS kullanın. A/A, sırasıyla gram pozitif ve gram negatif bakterilere karşı etkili olan bir penisilin ve streptomisin antibiyotik kompleksidir.
    3. TSB ortamı kullanarak bakteri kültürünü 1 × 106 CFU / mL'ye seyreltin ve farklı konsantrasyonlarda ZnO NP'leri içeren her bir oyuğa 100 μL ekleyin.
      NOT: İlk MRSA ve P. aeruginosa kültür çözeltisi konsantrasyonları 3 x 109 CFU/mL idi. Bakteri kültürü konsantrasyonu 1 x 106 CFU/mL, kültür çözeltisinin 1/20 ve 1/150 seyreltilmesiyle yapılmıştır. 100 μL ZnO NP ile karıştırıldıktan sonra, nihai bakteri konsantrasyonu 5 × 105 CFU/mL olacaktır.
    4. 96 oyuklu plakayı 37 °C'lik bir inkübatöre yerleştirin ve 24 saat inkübe edin.
  3. Bakteri yayılması
    1. Her oyuktan 100 μL pipetleyin ve 10-6 yılına kadar çeşitli 10 kat seri seyreltmeler hazırlayın.
      NOT: 900 μL sterilize edilmiş damıtılmış suya bakteriyel çözelti içeren 100 μL ZnO NP ekleyin ve 6 kez tekrarlayın.
    2. Dört seyreltilmiş çözeltiden 50 μL pipetleyin ve TSA ortam plakalarına ekleyin. Bakteriyel süspansiyonu agar plakasına yaymak için L şeklinde bir hücre yayıcı kullanın.
      NOT: 100, 10-2, 10-4 ve 10-6 seyreltmelerini kullanın. Tüm deneyleri üç nüsha halinde yapın. Tüm bakteri çözeltisi agar plakasına emilene kadar yayın.
    3. Agar plakalarını 37 °C'lik bir inkübatöre yerleştirin ve 24 saat inkübe edin.
  4. Bakteriyel CFU sayımı
    1. Her grup için sayılabilen bir seyreltme faktörü seçin. Sayılabilir seyreltme plakasındaki tüm kolonileri işaretleyin ve konsantrasyon # CFU/mL olacak şekilde yeniden hesaplayın.
      NOT: Sayılabilir seyreltme faktörü, tek bir plaka üzerinde 20-100 CFU olan plakaları gösterir. Başlangıçta sayılan konsantrasyon sonuçları # Sayılan CFU / 50 μL. Seyreltilmemiş bakteri çözeltisi ile yayılmış plakayı kullanarak, potansiyel minimum bakterisidal konsantrasyonu belirleyin.
    2. Negatif kontroldekilere göre canlı bakteri yüzdesini temsil etmek için elde edilen verileri kullanın.
      NOT: Canlı bakteri yüzdesi (%) =figure-protocol-1

Sonuçlar

ZnO NP'lerin başarılı sentezi, Şekil 1A'da gösterildiği gibi transmisyon elektron mikroskobu (TEM) kullanılarak doğrulandı. Elde edilen ZnO NP'lerin yuvarlak şekilli, ortalama parçacık boyutu 35.35 nm ve standart sapması 6.81 nm olarak gözlendi. Bu nanopartiküllerin çökelmesi,Zn2+ iyonlarının hidrolize uğradığı çinko asetata NaOH çözeltisi eklenerek çift yer değiştirme reaksiyonu yoluyla gözlemlendi.

Dinamik ışık saçılımı (DLS) kullanılarak, sentezlenen nanopartiküllerin ortalama boyutu ve zeta potansiyeli, Şekil 1B'de gösterildiği gibi sırasıyla 130.4 nm ve 28.92 mV olarak belirlenmiştir. TEM görüntüsünden elde edilenle karşılaştırıldığında DLS kullanılarak ölçülen ZnO NP'lerin boyutundaki tutarsızlık, çıplak nanopartiküllerin toplanmasına bağlandı. Pozitif zeta potansiyeli, bakteri hücre yüzeyleri ile elektrostatik olarak etkileşime girebilen ve potansiyel olarak fiziksel hasara neden olabilen ZnO NP'lerin edinimini dolaylı olarak doğruladı. Zeta potansiyelinin büyüklüğü, bir kolloidal sistemin potansiyel stabilitesini gösterir. Bir süspansiyondaki tüm parçacıklar büyük pozitif veya negatif zeta potansiyellerine sahip olduğunda, birbirlerini itme ve toplanmayı önleme eğilimi vardır. +30 mV'den büyük veya -30 mV'den düşük zeta potansiyellerine sahip partiküller genellikle kararlı olarak kabul edilir. Sentezlenen ZnO NP'ler, su20'de nispi stabiliteyi gösteren +28.92 mV'luk bir zeta potansiyeli sergiledi.

ZnO NP'lerin absorpsiyon spektrumları, bir mikroplaka okuyucu kullanılarak incelendi ve 360 nm'de ZnO için spesifik bir absorpsiyon zirvesi ortaya çıktı (Şekil 1C). Öncü çinko asetatın benzersiz bir zirvesi yoktur, oysa ZnO NP'lerin 360-370 nm'de benzersiz bir zirveye sahip olduğu bilinmektedir. Sentez, sentezlenen ZnO NP'lerde21 360 nm benzersiz zirvenin varlığı ile doğrulandı. Bu spesifik UV absorpsiyon özellikleri, ZnO NP'lerin doğrudan sentezini doğruladı. Ayrıca, X-ışını kırınım (XRD) analizi (Şekil 1D), ZnO'nun karakteristiği olan farklı kristal zirveleri ortaya çıkardı. ZnO NP'lerin temsili wurtzit yapısı (JCPDS No. 36-1415) ile karşılaştırıldığında, tüm düzlemlerin (1, 0, 0), (0, 0, 2), (1, 0, 1), (1, 0, 2), (1, 1, 0), (1, 0, 3), (2, 0, 0), (1, 1, 2) ve (2, 0, 1) hizada olduğugözlendi 22.

Sentezlenen ZnO NP'lerin antimikrobiyal etkinliği, Güney Kore'nin Seul kentindeki Chung-Ang Üniversite Hastanesi'nden elde edilen P. aeruginosa ve MRSA'nın klinik örneklerine karşı bir mikrobroth seyreltme testi kullanılarak değerlendirildi. Analiz için bakteri kültürlerinin görüntüleri yakalandı. Aynı seyreltme faktörünü kullanarak nanopartiküllerin antimikrobiyal etkinliğini görsel olarak değerlendirmek için, seyreltilmemiş bakteri çözeltisi içeren yayılmış plakalar kullanıldı (Şekil 2A, B). Potansiyel minimum bakterisidal konsantrasyonu belirlemek için orijinal çözelti ile yayılmış plakalar kullanıldı. Her iki suş için de en yüksek konsantrasyonda bile bakteri kolonileri gözlendiğinden, tam bir bakterisidal etki elde edilememiştir. Her gruptaki bakteri konsantrasyonları, sayılabilir seyreltme faktörleri kullanılarak hesaplandı. Her tedavi grubunun sağkalım oranlarını negatif kontrol grubuyla karşılaştırırken, ZnO NP'lerin antimikrobiyal etkileri hem P. aeruginosa hem de MRSA suşlarında belirgindi. ZnO NP'lerin araştırılan sitotoksisite aralığı göz önüne alındığında, toksisiteyi indüklediği bilinen en yüksek konsantrasyon olan 1000 μg/mL'den başlayarak, seri seyreltmeyoluyla toksik olmayan 62,5 μg/mL aralığına kadar farklı ZnO konsantrasyonları test edildi 23,24. P. aeruginosa durumunda, ZnO NP'lerin antimikrobiyal aktivitesi konsantrasyona bağlı bir şekilde artmıştır (Şekil 2A). Bununla birlikte, başlangıçtaki seyreltilmemiş (100) bakteri kültüründen P. aeruginosa bakteri kolonilerinin sayısında gözle görülür bir azalma belirgin değildi.

Tersine, ZnO NP'ler, seyreltilmiş bakteri kültürlerinin görüntülerinin başlangıçtaki seyreltilmemiş (100) bakteri kültürününkiyle karşılaştırılmasıyla doğrulandığı gibi, bakteri koloni oluşturan birimlerde (CFU) gözle görülür bir azalma ile gram pozitif bakteri MRSA'ya karşı yüksek antimikrobiyal aktivite sergiledi. Bu sonuç, sentezlenen ZnO NP'lerin her iki bakteri suşuna karşı antimikrobiyal aktivite gösterdiğini ve özellikle MRSA suşuna karşı artan etkinlik gösterdiğinidoğruladı.

figure-results-1
Şekil 1: Çinko oksit nanopartiküllerinin karakterizasyonu. (A) Farklı büyütmeler altında ZnO NP'lerin transmisyon elektron mikroskobu görüntüleri. (B) DLS analizi ile boyut (solda) ve zeta potansiyel dağılımı (sağda). (C) Bir mikroplaka okuyucu kullanarak ZnO NP'lerin absorbans spektrumu. (D) ZnO NP'lerin ve kristal tepe noktalarının XRD analizi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-2
Şekil 2: 5 x 105 CFU/mL bakteri suşları üzerinde test edilen ZnO NP'lerin antibakteriyel özellikleri. (A) P. aeruginosa suşuna karşı antibakteriyel test. (B) MRSA suşuna karşı antibakteriyel test. N = negatif kontrol (DPBS), P = pozitif kontrol (A/A). Yıldız işaretleri, kontrollerle karşılaştırıldığında istatistiksel olarak anlamlı farkı gösterir, ****p ≤ 0.0001. Veriler, üç kopya halinde gerçekleştirilen üç bağımsız deneyin ortalama ± SD'si olarak sunulmuştur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışma

ZnO NP'lerin yağış yoluyla sentezi nispeten basit ve anlaşılırdır. Bu yöntemi kullanarak ZnO NP'leri başarılı bir şekilde sentezlemek için, öncüsün (çinko asetat) çözücü içinde tamamen çözünmesini sağlamak için karıştırma çok önemlidir. Ayrıca, sıcaklığın arttırılması, başarılı bir çift yer değiştirme reaksiyonunun indüklenmesine yardımcı olur. ZnO NP'lerin sentezinde, çökeltme maddesi, çökeltme maddesinin konsantrasyonu ve yüzey aktif madde dahil olmak üzere boyutu ve şekli belirleyen birçok faktör vardır. NaOH dışındaki çökeltme maddelerinin kullanılması partikül şeklini değiştirebilir. Gharpure ve ark.25 tarafından bildirildiği gibi, çinko asetatı farklı yüzey aktif maddelerle çökeltmek için amonyum hidroksit (NH4OH) kullanıldığında, parçacıklar çoğunlukla koni ve üçgen şekillerinde sentezlendi. Potasyum hidroksit (KOH) kullanılarak sentezlendiğinde bile, küresel parçacıkları26 görmek zordu. Bu gözlem, NaOH ile çökeltinin yuvarlak şekilli ZnO nanopartiküllerinin sentezini kolaylaştırdığını doğruladı.

Bu çalışmada, biyomedikal uygulamalardaki potansiyel uygulamaları ve hızlı bir sentez yönteminin geliştirilmesi nedeniyle az miktarda yüzey aktif madde ve NaOH kullanarak ZnO NP'leri sentezledik. Sonuç olarak, yuvarlak şekilli nano ölçekli parçacıkların sentezi mümkün olsa da, homojen küresel parçacıkların sentezi ek modifikasyonlar olmadan sınırlıydı27. ZnO NP'lerin polar olmayan çözücülerde veya karışık polar ve polar olmayan çözücülerde iyi dağıldığı bilinmektedir, bu da suda sınırlı stabilite ve agregasyon sorunlarına yol açar28,29. ZnO NP'ler DPBS'de dağıldığından, TEM görüntüleri ile DLS ölçümleri arasındaki boyut farkından açıkça görülen kümelenme fenomenleri gözlendi. Bu çalışmada ZnO NP'lerin30'un içsel antimikrobiyal özelliklerini değerlendirmek için herhangi bir değişiklik yapılmamasına rağmen, 3-aminopropiltrietoksisilan (APTES) gibi kapatma maddelerinin ve birleştirme maddelerinin eklenmesinin sudaki dispersiyonu arttırması beklenmektedir.

Bu çalışmada sunulan ZnO NP'lerin sentez yöntemi, yüksek basınç veya ısı gerektirmemesi ve az miktarda yüzey aktif madde dışında herhangi bir bağlayıcı içermemesi nedeniyle mikrodalga destekli veya solvotermal tekniklerden farklıdır31,32. Sadece 2 saatlik bir sentez reaksiyon süresi ile herkes tarafından kolayca erişilebilir. Biyomedikal uygulama perspektifinden bakıldığında, bu çalışma, Chung-Ang Üniversitesi'nden elde edilen MDR klinik örneklerini kullanarak ZnO NP'lerin antibakteriyel özelliklerini değerlendirdi ve gerçek dünya ortamlarında bakterileri yok etmek için gerekli ZnO konsantrasyonunun belirlenmesini sağladı. Çoğu bakterinin P. aeruginosa'ya karşı 60 μg / mL konsantrasyon aralığında eradike edildiği Khan ve ark. tarafından yapılan çalışma ile karşılaştırıldığında, bu çalışmada kullanılan MDR klinik suşlarının daha yüksek sağkalım oranları sergilediği bulunmuştur33.

Sentezlenen ZnO NP'lerin antimikrobiyal etkinliği, P. aeruginosa ve MRSA suşlarına karşı değerlendirildi. Deney sırasında bakterilerin kısa ikiye katlanma süresi göz önüne alındığında, önce nanopartikül çözeltisini 96 oyuklu bir plakaya yerleştirmek ve ardından bakteri çözeltisini derhal eklemek çok önemlidir. Ayrıca, kültürleme için çeşitli seyreltmelerin kullanılması, nanopartiküllerin antimikrobiyal aktivitesini doğru bir şekilde belirlemek için çok önemlidir. 10 katlı seri seyreltmelerin üretilmesi sırasında bakteri çözeltisinin iyice karıştırılması da çok önemlidir; Bu nedenle, dikkatli pipetleme ve girdaplama gereklidir. Ancak, bu deneysel prosedürün zaman alıcı olduğuna dikkat edilmelidir. Bu nedenle, 600 nm'de absorbans ölçümleri kullanılarak yapılan bir ön değerlendirme, kültürlemeden önce antimikrobiyal aktivitenin yaklaşık bir tahminini sağlayabilir.

Sentezlenen ZnO NP'ler, muhtemelen bakteri yapısındaki farklılıklar nedeniyle MRSA suşuna karşı daha yüksek antimikrobiyal aktivite sergiledi. P. aeruginosa gibi gram negatif bakteriler, hücre zarı yapılarında, özellikle lipopolisakkaritler içeren bir çift zarın oluşumunda, MRSA'nın tek katmanlı kalın bir peptidoglikan zarının aksine, MRSA'dan farklıdır. Bu çift zarlı yapı, potansiyel olarak antimikrobiyal Zn2+ iyonlarının penetrasyonunu engelleyerek P. aeruginosa'nın hayatta kalma oranını artırır. ZnO NP'ler antimikrobiyal özellikleri için kullanılır ve ayrıca güneş kremi ve cilt yenilenmesinde aktif olarak kullanılır. Bu nedenle, ZnO NP'leri kullanan çeşitli çalışmaların gelecekte de devam etmesi beklenmektedir.

ZnO NP'ler, yüzey modifikasyonu ve çeşitli malzeme konjugasyonları yoluyla çeşitli alanlarda uygulanabilir. ZnO, diğerlerinin yanı sıra ilaç dağıtımı, antibakteriyel kaplamalar, kanser tedavisi ve yara iyileşmesi alanlarında potansiyel uygulamalara sahiptir34. ZnO NP'ler, antikorlar gibi hedefleme moleküllerini konjuge ederek ilaç dağıtımında uygulanabilir ve bu da belirli hücrelere veya dokulara hedefli iletimi sağlar35. Ek olarak, reaktif oksijen türlerinin üretilmesi yoluyla, ZnO NP'ler sadece bakteri hücrelerini değil, aynı zamanda kanser hücrelerini de hedefleyebilir. Ayrıca, ZnO nanopartiküllerinden Zn2 + iyonlarının salınması ve reaktif oksijen türlerine bağlı olarak hidrojen peroksit (H2O2) oluşumu, yara bölgesinde yara iyileşme süreçlerini teşvik edebilir36. Bu potansiyellerin, ZnO NP'lerin farklı alanlarda kullanımını araştıran çok sayıda araştırmaya yol açacağı tahmin edilmektedir.

Açıklamalar

Dr. Jonghoon Choi, Nanomedicine Corporation'daki Feynman Teknoloji Enstitüsü'nün CEO'su/Kurucusudur ve Dr. Yonghyun Choi, Cto'dur.

Teşekkürler

Bu araştırma, 2022 yılında Chung-Ang Üniversitesi Lisansüstü Araştırma Bursu (Bayan Gahyun Lee) tarafından desteklenmiştir. Bu çalışma aynı zamanda Kore hükümeti (MSIT) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibesi (No. 2020R1A5A1018052) ve KOBİ'ler ve Startup'lar Bakanlığı (MSS, Kore) tarafından finanse edilen Teknoloji Geliştirme Programı (RS202300261938) tarafından desteklenmiştir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
DLSZetasizer Pro
Etil alkol, mutlakDAEJUNG4023-2304
Mikroplaka okuyucu ve nbsp;BioTeck
Sodyum HidroksitSigma-Aldrich221465
TEMJEOL JEM-F200
TSADB difco236950
TSBDB difco211825
XRDYENİ D8-Advance
Çinko asetatSigma-Aldrich383317

Kaynaklar

  1. Catalano, A., et al. Multidrug resistance (MDR): A widespread phenomenon in pharmacological therapies. Molecules. 27 (3), 616(2022).
  2. Bazaid, A. S., et al. Bacterial infections among patients with chronic diseases at a tertiary care hospital in Saudi Arabia. Microorganisms. 10 (10), 1907(2022).
  3. Miller, E. L. The penicillins: A review and update. J Midwifery Women's Health. 47 (6), 426-434 (2002).
  4. Martínez-Trejo, A., et al. Evasion of antimicrobial activity in acinetobacter baumannii by target site modifications: An effective resistance mechanism. Int J Mol Sci. 23 (12), 6582(2022).
  5. Jiang, J. -H., et al. Antibiotic resistance and host immune evasion in staphylococcus aureus mediated by a metabolic adaptation. Proc Natl Acad Sci U S A. 116 (9), 3722-3727 (2019).
  6. Lee, H. N., et al. A lateral flow assay for nucleic acid detection based on rolling circle amplification using capture ligand-modified oligonucleotides. BioChip J. 16 (4), 441-450 (2022).
  7. Craft, K. M., Nguyen, J. M., Berg, L. J., Townsend, S. D. Methicillin-resistant staphylococcus aureus (MRSA): Antibiotic-resistance and the biofilm phenotype. Med Chem Comm. 10 (8), 1231-1241 (2019).
  8. Tieu, M. -V., Pham, D. T., Le, H. T. N., Hoang, T. X., Cho, S. Rapid and ultrasensitive detection of Staphylococcus aureus using a gold-interdigitated single-wave-shaped electrode (AU-ISWE) electrochemical biosensor. BioChip J. 17, 1-10 (2023).
  9. Turner, N. A., et al. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus: An overview of basic and clinical research. Nat Rev Microbiol. 17 (4), 203-218 (2019).
  10. Tuon, F. F., Dantas, L. R., Suss, P. H., Tasca Ribeiro, V. S. Pathogenesis of the Pseudomonas aeruginosa biofilm: A review. Pathogens. 11 (3), 300(2022).
  11. Sarabhai, S., Sharma, P., Capalash, N. Ellagic acid derivatives from terminalia chebula retz. Downregulate the expression of quorum sensing genes to attenuate pseudomonas aeruginosa pao1 virulence. PLoS One. 8 (1), e53441(2013).
  12. Dizaj, S. M., Lotfipour, F., Barzegar-Jalali, M., Zarrintan, M. H., Adibkia, K. Antimicrobial activity of the metals and metal oxide nanoparticles. Mat Sci Eng: C. 44, 278-284 (2014).
  13. Ribeiro, A. I., Dias, A. M., Zille, A. Synergistic effects between metal nanoparticles and commercial antimicrobial agents: A review. ACS App Nano Mater. 5 (3), 3030-3064 (2022).
  14. Newman, M. D., Stotland, M., Ellis, J. I. The safety of nanosized particles in titanium dioxide-and zinc oxide-based sunscreens. J Am Acad Dermatol. 61 (4), 685-692 (2009).
  15. Sivakumar, P., Lee, M., Kim, Y. -S., Shim, M. S. Photo-triggered antibacterial and anticancer activities of zinc oxide nanoparticles. J Mater Chem B. 6 (30), 4852-4871 (2018).
  16. Kołodziejczak-Radzimska, A., Jesionowski, T. Zinc oxide-from synthesis to application: A review. Materials. 7 (4), 2833-2881 (2014).
  17. Raoufi, D. Synthesis and microstructural properties of ZnO nanoparticles prepared by precipitation method. Renew Energy. 50, 932-937 (2013).
  18. Wang, Y. -X., Sun, J., Fan, X., Yu, X. A CTAB-assisted hydrothermal and solvothermal synthesis of ZnO nanopowders. Ceram Int. 37 (8), 3431-3436 (2011).
  19. Balouiri, M., Sadiki, M., Ibnsouda, S. K. Methods for in vitro evaluating antimicrobial activity: A review. J Pharm Anal. 6 (2), 71-79 (2016).
  20. Clogston, J. D., Patri, A. K. Zeta potential measurement. Characterization of nanoparticles intended for drug delivery. Methods Mol Biol. McNeil, S. , 63-70 (2011).
  21. Abdelbaky, A. S., Mohamed, A. M., Sharaky, M., Mohamed, N. A., Diab, Y. M. Green approach for the synthesis of ZnO nanoparticles using Cymbopogon citratus aqueous leaf extract: Characterization and evaluation of their biological activities. Chem Biol Technol Agric. 10 (1), 63(2023).
  22. Ankamwar, B. G., Kamble, V. B., Annsi, J. I., Sarma, L. S., Mahajan, C. M. Solar photocatalytic degradation of methylene blue by ZnO nanoparticles. J Nanosci Nanotechnol. 17 (2), 1185-1192 (2017).
  23. Babayevska, N., et al. Zno size and shape effect on antibacterial activity and cytotoxicity profile. Scientific Rep. 12 (1), 8148(2022).
  24. Hamidian, K., Sarani, M., Behjati, S., Mahjoub, M., Zafarnia, N. Cytotoxic performance of synthesized mn-doped ZnO nanorods in mcf-7 cells. ChemistrySelect. 8 (19), e202300292(2023).
  25. Gharpure, S., et al. Non-antibacterial and antibacterial ZnO nanoparticles composed of different surfactants. J Nanosci Nanotechnol. 21 (12), 5945-5959 (2021).
  26. Dhoke, S. K. Synthesis of nano-ZnO by chemical method and its characterization. Results Chem. 5, 100771(2023).
  27. Choi, K. -C., et al. Modifying hydrogen bonding interaction in solvent and dispersion of ZnO nanoparticles: Impact on the photovoltaic performance of inverted organic solar cells. RSC Adv. 4 (14), 7160-7166 (2014).
  28. Lee, W., et al. High colloidal stability ZnO nanoparticles independent on solvent polarity and their application in polymer solar cells. Scientific Rep. 10 (1), 18055(2020).
  29. Cozzoli, P. D., Kornowski, A., Weller, H. Colloidal synthesis of organic-capped ZnO nanocrystals via a sequential reduction-oxidation reaction. J Phy Chem B. 109 (7), 2638-2644 (2005).
  30. Roh, S., Jang, Y., Yoo, J., Seong, H. Surface modification strategies for biomedical applications: Enhancing cell-biomaterial interfaces and biochip performances. BioChip J. 17, 1-18 (2023).
  31. Chen, D., Jiao, X., Cheng, G. Hydrothermal synthesis of zinc oxide powders with different morphologies. Solid State Commun. 113 (6), 363-366 (1999).
  32. Hu, X. -L., Zhu, Y. -J., Wang, S. -W. Sonochemical and microwave-assisted synthesis of linked single-crystalline ZnO rods. Mater Chem Phys. 88 (2-3), 421-426 (2004).
  33. Ahamad Khan, M., et al. Phytogenically synthesized zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) potentially inhibit the bacterial pathogens: In vitro studies. Toxics. 11 (5), 452(2023).
  34. Xie, J., et al. Recent advances in ZnO nanomaterial-mediated biological applications and action mechanisms. Nanomaterials. 13 (9), 1500(2023).
  35. Chawla, U., et al. A review on ZnO-based targeted drug delivery system. Lett Drug Des Discov. 21 (3), 397-420 (2024).
  36. Alavi, M., Nokhodchi, A. An overview on antimicrobial and wound healing properties of ZnO nanobiofilms, hydrogels, and bionanocomposites based on cellulose, chitosan, and alginate polymers. Carbohydr Polym. 227, 115349(2020).

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Nanopartik l Sentezikt rme Y ntemiTransmisyon Elektron MikroskobisiDinamik I k Sa lmasX I n DifraksiyonuBesiyeri Mikrodil syon Testiok la Diren li BakterilerKoloni Olu turan Birimler
Çinko Oksit Nanopartiküllerinin Hazırlanması ve Antibakteriyel Etkilerinin Değerlendirilmesi
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.