Design, Synthese und Charakterisierung neuartiger Öko
Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 10491 (2022) Diesen Artikel zitieren
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Diese Arbeit berichtet über einen einfachen und umweltfreundlichen Ansatz zur Herstellung von mit Chitosan dekorierten AgIO3-Nanopartikeln (Chitosan-AgIO3). Das Bionanokomposit wurde vollständig durch Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR), Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und Röntgenbeugungsanalyse (XRD) charakterisiert. Die antibakterielle Wirkung von Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit wurde auf Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus saprophyticus, Escherichia coli und Staphylococcus aureus als pathogene Mikroorganismen mithilfe der Plattenzählmethode, der Scheibendiffusionsmethode und Messungen der optischen Dichte (OD) untersucht. Die antibakterielle Wirkung des Bionanokomposits wurde mit zwei kommerziellen Medikamenten (Penicillin und Silbersulfadiazin) verglichen und in einigen Fällen zeigte das synthetisierte Bionanokomposit eine bessere Wirkung bei der Ausrottung von Bakterien. Das Bionanokomposit verfügte über hervorragende antibakterielle Eigenschaften. Um den Mechanismus von Bionanokomposit als antibakterielles Mittel zu untersuchen, wurde eine Durchflusszytometrie durchgeführt. Die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) war für die bakteriziden Mechanismen verantwortlich. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit als eine Art antibakterielles Material Potenzial für die Anwendung in einem breiten Spektrum biomedizinischer Anwendungen und der Wasserreinigung hat. Das Design und die Synthese grüner und biologisch abbaubarer antibakterieller Materialien mit einfachen Verfahren und unter Verwendung leicht verfügbarer Materialien führen dazu, dass das Endprodukt wirtschaftlich erschwinglich ist und in verschiedenen Branchen skaliert werden kann.
Angesichts der Ausbreitung von Infektionskrankheiten, die auf pathogene Bakterien zurückzuführen sind, und der Zunahme von Antibiotikaresistenzen steigt die Nachfrage nach der Entwicklung und Synthese einzigartiger antibakterieller Wirkstoffe1. Pseudomonas aeruginosa ist ein schädlicher Krankheitserreger als gramnegativer aerober Bazillus, der aus Boden, Wasser, Pflanzen und Tieren, einschließlich Menschen, isoliert wird. Es ist auch bekannt, dass Pseudomonas aeruginosa seinen Phänotyp verändert und sich auf die Umwelt einstellt. Außerdem handelt es sich um eine multiresistente Bakterienart, die Patienten mit geschwächtem Immunsystem beeinträchtigt2,3. Klebsiella pneumoniae ist ein stäbchenförmiger, gramnegativer Erreger, der häufig im Mund, auf der Haut, im Darm, in Krankenhäusern und in medizinischen Geräten vorkommt. Der opportunistische Erreger Klebsiella pneumoniae befällt vor allem Menschen mit geschwächtem Immunsystem oder ist durch andere Infektionen geschwächt. Angesichts der Tatsache, dass Klebsiella pneumoniae zunehmend resistent gegen Antibiotika geworden ist, ist die erfolgreiche Ausrottung dieses Bakteriums sehr wichtig4,5. Staphylococcus saprophyticus steht im Zusammenhang mit unkomplizierten Harnwegsinfektionen beim Menschen6. Escherichia coli (gramnegativ) und Staphylococcus aureus (grampositiv) verursachen beim Menschen nach infiziertem Wasser Durchfallerkrankungen. Eine sichere Trinkwasserversorgung ist ein entscheidender und wesentlicher Aspekt der menschlichen Gesundheit7. Silbersulfadiazin (AgSD) wird seit den frühen 1970er Jahren zur Behandlung von Verbrennungen zweiter Ordnung eingesetzt. Es handelt sich um einen wirksameren antibakteriellen Verband mit verbesserter Stimulierung der Wundregeneration8,9. Penicillin ist ein β-Lactam-Antibiotikum, das gegen eine Vielzahl von Bakterien wirksam ist. Penicilline sind das Mittel der Wahl bei Infektionen der oberen und unteren Atemwege (Streptococcus pyogenes), Meningokokken-Erkrankungen (Neisseria meningitides), Syphilis (Treponema pallidum) und anaeroben Infektionen10. Der Bereich der Nanotechnologie wurde als eine Möglichkeit mit hohem Potenzial für die Herstellung neuartiger nanoskaliger Materialien eingeführt, die ein großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis und besondere physikalische und chemische Eigenschaften mit breiten Anwendungsmöglichkeiten aufweisen11. Unter anderem wurde ein elektrochemischer Biosensor mit DNA-Nanostruktur zur Überwachung des Cyanazin-Herbizids in Wasser- und Lebensmittelproben entwickelt und synthetisiert12. Mit Stickstoff und Schwefel co-dotierte Kohlenstoffpunkte wurden effektiv aus Abfallorangenschalen über einen kostengünstigen, natürlichen und einfachen Syntheseprozess als Nano-Booster mit hoher Sauerstoffreduktionsreaktionsaktivität synthetisiert13. Neben anderen Sauerstoffreduktionsreaktionen wurde ein Elektrokatalysator in neutralen Medien als wirksame Alternative zu teuren metallbasierten Nanokatalysatoren entwickelt und synthetisiert14. Eine neuartige Kohlenstoffpastenelektrode, modifiziert mit ZIF-8/g-C3N4/Co-Nanokomposit und 1-Methyl-3-butylimidazoliumbromid als ionische Flüssigkeit, wurde als äußerst empfindlicher elektrochemischer Sensor für den Nachweis synthetischer Azofarbstoffe verwendet15. Ein auf Guanin basierender DNA-Biosensor wurde auf einfache Weise entwickelt und hergestellt, um Krebsmedikamente während Chemotherapie-Behandlungen zu überwachen16. Nanopartikel als antibakterielles Mittel mit einem großen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, das einen besseren Kontakt mit Bakterienzellen ermöglichen kann. In Anbetracht der Tatsache, dass Nanopartikel dazu neigen, sich zu aggregieren, was die antibakterielle Eigenschaft verringern könnte, ist die Verwendung einer Unterstützung für Nanopartikel sehr praktisch und hilfreich bei der Herstellung eines Nanokomposits mit hoher antibakterieller Wirksamkeit17,18. Grüne Nanotechnologie bietet viele Vorteile in Bezug auf Prozessentwicklung, Herstellung und Produktdesign. Die Synthese von Nanokompositen in Richtung grüner Chemie weist viele Vorzüge auf, darunter einfache und milde Reaktionsbedingungen, die dazu führen, dass der Prozess skalierbar, wirtschaftlich erschwinglich und umweltfreundlich ist19. Bionanokomposite könnten in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise als antibakterielle Wirkstoffe20, Bionanokatalysatoren21, photokatalytische Aktivität22, Adsorbentien für Schwermetalle23 und Arzneimittelabgabe24. Im Hinblick auf eine grüne Chemie gilt die Erweiterung und Nutzung biologisch abbaubarer Polymere als die umfassendste Methode zur Entwicklung von Bionanokompositen als antibakterielles Mittel. Aus natürlichen Ressourcen gewonnene Polymere, darunter Stärke, Cellulose, Chitin, Chitosan und Lignin, haben sich als vielversprechende Kandidaten für die Synthese von Bionanokompositen mit besonderen Anwendungen herausgestellt25,26,27,28. Als natürliches Polymer aus der Meeresumwelt ist Chitosan ein Aminopolysaccharid, das durch Deacetylierung von Chitin (Poly-N-acetyl-D-glucosamin) gewonnen wird. Chitin ist nach Cellulose das zweithäufigste natürliche Polymer. Chitosan ist das vorteilhafteste Derivat von Chitin mit zahlreichen Amin- und Hydroxylgruppen in seiner Struktur, was die Synthese von Biokompositen mit verschiedenen Anwendungen ermöglicht. Chitosan zeichnete sich durch besondere Eigenschaften aus, darunter biologische Abbaubarkeit, Biokompatibilität, Ungiftigkeit, Kostengünstigkeit und Verfügbarkeit29,30. Unter den verschiedenen antibakteriellen Nanomaterialien verfügen Silbernanopartikel und ihre Verbindungen über erhebliche antimikrobielle Eigenschaften. Silbernanopartikel (AgNPs) erregten aufgrund ihrer antimikrobiellen Aktivität gegen eine Vielzahl arzneimittelresistenter Mikroorganismen die Aufmerksamkeit vieler Forscher31. Gold/Silber-Tellur-Nanostrukturen (Au/Ag-Te-NSs) weisen aufgrund der erzeugten ROS, die die Bakterienmembran zerstören, eine sehr gute antimikrobielle Aktivität gegen verschiedene Mikroorganismen auf32. Mit Silbernanopartikeln verankertes Graphenoxid (GO-Ag) hat eine gute antibakterielle Aktivität gezeigt33, mit Silbernanopartikeln bedecktes Vancomycin als antibakterielles Mittel34, Nanodrähte aus Silber-Polyanilin-Bionanokomposit als antibakterielles Mittel35, Cellulose/γ-Fe2O3/Ag-Bionanokomposit als antibakterielles Mittel36, sind einige Beispiele für Silbernanokomposite mit antibakterieller Aktivität. AgIO3 ist ein unlöslicher weißer Kristall mit einer orthorhombischen Struktur, der aufgrund seiner großen Bandlücke und hohen Trennungsrate photoangeregter Ladungsträger eine gute photokatalytische Aktivität für die Zersetzung organischer Schadstoffe im UV-Bereich darstellt37,38,39. Silberjodat-Nanopartikel sind sehr unlöslich (AgIO3 Ksp = 3,1 × 10–8) und könnten in der Wasseraufbereitung sowie für medizinische Anwendungen verwendet werden40. Im Zusammenhang mit unserer früheren Forschung zur antibakteriellen Aktivität von Nanokompositen41,42,43 präsentieren wir in dieser Studie die Herstellung und Identifizierung von Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit als antibakterielles Mittel (Abb. 1). Nach unserem besten Wissen ist dies der erste Bericht über die antibakteriellen Eigenschaften von Bionanokomposit auf Basis von Chitosan und Silberjodat gegen mehrere gramnegative und grampositive Bakterien. Chitosan-AgIO3-Bio-Nanokomposit wurde als einzigartiges, kostengünstiges Material mit hoher antibakterieller Aktivität eingeführt. Dieses Papier eröffnet einen neuen Ansatz im antibakteriellen Bereich, der wirtschaftlich und ökologisch effiziente nanoskalige Verbundstoffe auf Basis natürlicher Polymere umfasst. Darüber hinaus könnte das synthetisierte Bionanokomposit vielfältig eingesetzt und aufgrund seiner neuartigen und besonderen Eigenschaften skaliert werden. Die Herstellung von Nanomaterialien mit verfügbaren und grünen Ressourcen führt zu biologischer Abbaubarkeit und Biokompatibilität und senkt die Kosten der synthetisierten Produkte. Einfache Geräte und Verfahren sowie kostengünstige und leicht verfügbare Materialien ohne den Einsatz von Tensiden, externen Templaten und toxischen Lösungsmitteln für die Synthese des Bionanokomposits sind von großer Bedeutung. Um die antibakterielle Aktivität des Chitosan-AgIO3-Bionanokomposits anzuerkennen und hervorzuheben, wurde die antibakterielle Leistung des Bionanokomposits mit zwei kommerziellen Antibiotika gegen fünf humanpathogene Bakterien verglichen. Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit weist im Vergleich zu Penicillin eine wünschenswerte antibakterielle Aktivität gegen fünf verschiedene Bakterien auf und weist im Falle von Pseudomonas aeruginosa und E. coli sogar eine bessere Leistung auf. Chitosan-Silberiodat-Bionanokomposit wurde mit Silbersulfadiazin gegen fünf Bakterien getestet und es wurde festgestellt, dass Bionanokomposit eine bessere Wirkung gegen Pseudomonas aeruginosa hat und auch bei Klebsiella pneumoniae die gleiche Wirksamkeit aufweist.
Der Syntheseprozess von Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit.
Die Lösungsmittel, Chemikalien und Reagenzien wurden von verschiedenen Handelsunternehmen wie Merck, Sigma-Aldrich und Fluka erworben und wie erhalten verwendet. Penicillin G 800.000 U wurde von der Jaber Ebne Hayyan Pharmaceutical Company (Iran) bereitgestellt. FT-IR-Spektren wurden mit einem Shimadzu IR-470-Spektrometer im Transmissionsmodus unter Verwendung von KBr-Pellets der Probe aufgezeichnet. Die Elementaranalyse der vorbereiteten Proben wurde mittels EDX-Analyse durchgeführt, aufgezeichnet auf Numerix DXP-X10P. Die Morphologie und Struktur des Bionanokomposits wurden mit dem SEM-Instrument VEGA2 TESCAN untersucht. Die XRD-Muster der festen Pulver wurden mit einem JEOL JDX-8030 (30 kV, 20 mA) entwickelt. Die optischen Eigenschaften der Proben wurden mit einem UV-sichtbaren Mini 1240-Spektrophotometer von Shimadzu gemessen. Zum Sterilisieren der Glaswaren wurde ein Autoklav (Reyhan Teb, 2 kW-220 V) verwendet. Für die Zellkultivierung wurde ein Inkubator (Sh, Noor Sanat Ferdos) verwendet. Die Durchflusszytometriedaten wurden mit einem BD FACSCalibur (BD Biosciences, San Jose, CA, USA) erfasst. 2′-7′-Dichlordihydrofluoresceindiacetat (DCFH-DA) wurde als Nachweissonde zur Beurteilung der ROS-Erzeugung für die Untersuchung des antibakteriellen Mechanismus von Bionanokompositen verwendet.
Für die Synthese von Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit wurden 0,16 g AgNO3 in 10 ml entionisiertem Wasser gelöst, dann zu 10 ml 0,5 % (m/v) Chitosanlösung gegeben und 30 Minuten lang im Dunkeln gerührt, um Ag+-Ionen zu adsorbieren . Anschließend wurden 0,21 g KIO3 in 10 ml entionisiertem Wasser gelöst, nach und nach zu der obigen Lösung gegeben und 3 Stunden lang gerührt. Es wurde ein milchig-weißer Feststoff erhalten, der mit entionisiertem Wasser und Ethanol gewaschen und 12 Stunden lang bei 70 °C getrocknet wurde.
Für die Studie wurde die antimikrobielle Leistung des synthetisierten Bionanokomposits, der Standard-Agardiffusionstest, die Koloniezählmethode und das Screening der antibakteriellen Aktivität (OD-Studie) gegen verschiedene Bakterien durchgeführt, darunter Pseudomonas aeruginosa (ATCC 27853), Klebsiella pneumoniae (ATCC 700603). , Staphylococcus saprophyticus (ATCC 1440), Escherichia coli (ATCC 9637), Staphylococcus aureus (ATCC 12600). Darüber hinaus wurde die antibakterielle Wirkung von Chitosan-Silberjodat mit Penicillin und Silbersulfadiazin mithilfe eines Standard-Agar-Diffusionstests verglichen. Alle Instrumente wurden vor jedem Prozess 10 Minuten lang bei 121 °C in einem Autoklaven sterilisiert. Darüber hinaus wurde für antibakterielle Tests ein McFarland-Trübungsstandard von 0,5 auf Nährbouillon-Medien angewendet.
Müller-Hinton-Agar wurde als Basismedium und festes Wachstumsmedium plus Nährstoffe für Mikroorganismen verwendet; 20 ml Müller-Hinton-Agar wurden unter sterilen Bedingungen auf die Platte (8 cm) und 50 ml auf die andere Platte (15 cm) gegeben. Fünf verschiedene Röhrchentests, die mit 10 ml sterilem physiologischem Serum gefüllt wurden und jeder der fünf Mikroorganismen auf eine McFarland-Trübung von 0,5 eingestellt wurde. Anschließend wurde unter Verwendung eines sterilen Glashockeyschlägers die Kultur (Zellkonzentration wurde auf 107 Zellen/ml eingestellt) erstellt auf der Oberfläche der Platte verteilt. Anschließend wurden 0,01 g Chitosan-AgIO3 dem bakterienhaltigen Muller-Hinton-Agar-Kulturmedium zugesetzt. Petrischalen mit Bakterien und Bionanokomposit wurden 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Um die antibakterielle Wirkung des Bionanokomposits gegen diese fünf Bakterienarten zu bewerten und mit kommerziellen Arzneimitteln zu vergleichen, wurden Platten bestehend aus Penicillin und Silbersulfadiazin (mit unterschiedlichen Konzentrationen) in der separaten Platte untersucht, die wie oben beschrieben hergestellt wurde. Die Wachstumshemmungszonen von Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit gegen Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus saprophyticus, Escherichia coli und Staphylococcus aureus wurden gemessen.
Eine der praktischsten und nützlichsten Methoden zur Untersuchung der Wirkung von Bionanokomposit als antibakterielles Mittel gegen Bakterien ist die Koloniezählungsmethode. Escherichia coli und Staphylococcus aureus wurden 24 Stunden lang in Müller-Hinton-Agar gezüchtet und für die Koloniezählungsmethode verwendet. Dann wurden zwei Röhrchentests, die diese Bakterien und 10 ml steriles physiologisches Serum enthielten, mit einem McFarland-Trübungsstandard von 0,5 eingestellt. Jeder dieser Röhrchentests wurde dreimal mit sterilem physiologischem Serum verdünnt. Dann wurden 0,1 ml DMSO in vier Flaschen mit Nährbouillon-Kulturmedium gegeben. Die erhaltene Trübungslösung wurde dann für jedes Bakterium in zwei Portionen aufgeteilt und in zwei verschiedene Kolben gegeben. Einer der Lösungen jedes Bakteriums in einem Kolben wurde Bionanokomposit (0,01 g) zugesetzt, und der verbleibende Kolben enthielt kein Bionanokomposit. Daher enthalten zwei Flaschen Bakterien und Bionanokomposit und zwei davon kein Bionanokomposit. In die Flaschen wurden lediglich Bakterien als Beweis für den Vergleich mit Flaschen mit Bakterien und Bionanokomposit eingeführt. Diese vier Flaschen wurden 2 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Als nächstes wurden 0,1 ml des Inhalts jedes Kolbens in Mueller-Hinton-Agar gegeben und die Schalen wurden 24 Stunden lang bei 37 °C gehalten. Die antibakterielle Leistung von Bionanokomposit wurde durch Zählen der Kolonien auf Agarplatten nach 24 Stunden untersucht.
Zunächst wurden vier Flaschen mit 10 ml Nährbrühe vorbereitet. In den folgenden beiden Röhrchentests mit Escherichia coli, Staphylococcus aureus plus 10 ml sterilem physiologischem Serum mit 0,5 McFarland-Trübungsstandard wurde eingestellt. Dann wurde etwa 1 ml der Suspensionen des Bakteriums in jedem Röhrchentest in die vier Kolben gegeben. Zwei dieser Flaschen enthalten nur Bakterien und zwei davon enthalten Bakterien und Bionanokomposit (0,01 g). In einem typischen Experiment zur Erstellung der Wachstumskurven wurden alle Bakterienkulturen mit einer ungefähren Konzentration von 106–107 koloniebildenden Einheiten pro Milliliter (KBE/ml) in ein Nährbouillon-Medium inokuliert. Um einen optimalen Kontakt zwischen Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit und Bakterienzellen zu gewährleisten, wurden alle Experimente in einem Inkubatorschüttler bei 37 °C und 180 U/min durchgeführt. Die Abtötungsrate der Bakterien wurde in verschiedenen Zeitintervallen anhand der UV-sichtbaren Spektren überprüft. Als Kontrollen wurden zwei Kulturen des Bionanokomposit-freien Mediums unter den gleichen Wachstumsbedingungen für Bakterien verwendet. Um mögliche optische Interferenzen bei optischen Messungen der wachsenden Kulturen zu vermeiden, die durch die lichtstreuenden Eigenschaften der Nanopartikel verursacht werden, wird das gleiche flüssige Medium ohne Mikroorganismen, das aber die gleiche Konzentration an Bionanokomposit enthält, unter den gleichen Bedingungen wie Blindkontrollen kultiviert.
Einer der kritischsten und praktischsten Ansätze in der organischen Chemie ist das Design und die Synthese von Nanokompositen mit natürlichen Polymeren aus erneuerbaren Ressourcen und die Untersuchung ihrer bemerkenswerten Leistung in medizinischen Bereichen. Unter den verschiedenen Bereichen der Arzneimittelforschung ist das Design, die Synthese und die Einführung neuartiger antibakterieller Wirkstoffe äußerst wichtig. In dieser Forschung wurde Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit durch eine einfache Methode mit kostengünstigen und leicht verfügbaren Materialien synthetisiert. Kurz gesagt, bei der Zugabe von AgNO3 koordinierten die Amino- und Hydroxylgruppen in der Struktur von Chitosan die Ag+-Ionen eng und bildeten eine Suspension von Chitosan-Ag+. Im Folgenden reagierten Ag-Ionen unter Zugabe von KIO3 zu KIO3, um AgIO3-Nanopartikel zu erzeugen. Schließlich wurde Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit für antibakterielle Eigenschaften gegen mehrere Bakterien eingesetzt. Die strukturelle Bestätigung von Bionanokompositen wird mithilfe analytischer Techniken untersucht, darunter FT-IR-Spektren zum Nachweis verwandter funktioneller Gruppen, SEM zur Bestimmung der Morphologie und Struktur, EDX-Analyse zur Elementbestätigung und XRD-Muster zur Untersuchung der Kristallstruktur von Bionanokompositen.
Gemäß Abb. 2 wurde die Herstellung von Chitosan-AgIO3 durch die FT-IR-Spektroskopietechnik bestimmt. Wie in Abb. 2a zu sehen ist, wurden die charakteristischen Absorptionsbanden für Chitosan bei 3413 cm-1 als starker Peak für Streckschwingungen sowohl für O-H als auch für N-H gezeigt, überlappend, 2918 cm-1 gilt für C-H symmetrische Streckschwingungen, 2873 cm−1 gilt für asymmetrische C-H-Streckschwingungen. Die Banden bestätigten das Vorhandensein restlicher N-Acetylgruppen bei etwa 1654 cm−1 für die C=O-Streckschwingung von Amid und 1593 cm−1 für N-H-Biegeschwingungen. Der Peak bei 1518 cm-1 stellt C-H-Biegeschwingungen dar und 1375 cm-1 stellt die symmetrische CH3-Deformation dar. Die Bande bei 1315 cm−1 gibt die C-N-Streckschwingung von Amid an, und 1259 cm−1 steht im Zusammenhang mit der Biegeschwingung der in Chitosan vorhandenen Hydroxylgruppen. Die asymmetrische Streckung der C-O-C-Brücke wird durch einen Absorptionspeak bei 1153 cm−1 bestimmt. Die Banden bei 1072 und 1029 cm−1 entsprechen den CO-Streckschwingungen. Im Vergleich zum FT-IR-Spektrum von Chitosan weist das FT-IR-Spektrum von Bionanokomposit Variationen auf (Abb. 2b). Das Vorhandensein von Absorptionspeaks bei 710 cm−1 und 748 cm−1 entspricht AgIO3-Nanopartikeln, die das Vorhandensein von AgIO3 im endgültigen Bionanokomposit darstellen. Auf der Grundlage der aus diesen beiden Spektren gewonnenen Daten ist ein Grund für die Verschiebung der Wellenzahlen und geringeren Intensitäten der Peaks die Bestätigung von Wechselwirkungen zwischen Ag-, O- und N-Atomen. Darüber hinaus verschob sich die C=O-Streckschwingungsbande bei 1654 cm−1 und die N-H-Absorptionsbande bei 1593 cm−1 aufgrund der Bindung zwischen Chitosan und AgIO3 zu einer niedrigeren Frequenz.
FT-IR-Spektren von (a) Chitosan und (b) Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit.
Eine EDX-Analyse wurde durchgeführt, um das Vorhandensein von Elementen in der Struktur des Bionanokomposits zu untersuchen (Abb. 3a). Das EDS-Spektrum repräsentierte außerdem die Elemente C, O, N, Ag und I im hergestellten Bionanokomposit, und das Atomverhältnis zwischen Ag und I betrug etwa 1:1, was darauf hindeutet, dass Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit erfolgreich synthetisiert wurde. Darüber hinaus zeigt die Elementkartierung von EDX-Mustern das Vorhandensein von C-, O-, N-, Ag- und I-Elementen im Bionanokomposit (Abb. 3b).
(a) EDX-Analyse von Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit und (b) Elementkartierung von Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit.
Um die Morphologie und Struktur des Chitosan-AgIO3-Bionanokomposits zu untersuchen, wurde die SEM-Analyse durchgeführt (Abb. 4). Wie in der Abbildung zu sehen ist, ist klar, dass AgIO3-Nanopartikel die Struktur von Chitosan bedeckt haben. Das Vorhandensein und die gleichmäßige Verteilung von AgIO3-Nanopartikeln auf der Oberfläche von Chitosan sind gut zu beobachten. Laut REM-Bild beträgt die durchschnittliche Größe der synthetisierten AgIO3-Nanopartikel weniger als 60 nm. Um die Größe der Nanopartikel festzulegen, wurden 70 Partikel zufällig ausgewählt. Die durchschnittliche Partikelgröße von Nanopartikeln beträgt etwa 57 nm.
REM-Bilder des Chitosan-AgIO3-Bio-Nanokomposits und das Partikelgrößenverteilungsdiagramm des Chitosan-AgIO3-Bio-Nanokomposits.
Um die Struktur der anorganischen Nanopartikel zu untersuchen und die Bildung von AgIO3-Nanopartikeln im Bionanokomposit zu verifizieren, wurde das XRD-Muster erstellt. Wie in Abb. 5 gezeigt, zeigte das Bionanokomposit die Hauptpeaks, die mit den charakteristischen Peaks von AgIO3 (JCPDS 01-071-1928) übereinstimmten. Die Beugungspeaks von AgIO3 bei 2θ-Werten von 11,75°, 19,37°, 28,21°, 29,73°, 30,41°, 30,95°, 34,23°, 38,94°, 43,90° und 51,69° wurden (020), (021) zugeordnet. (041), (211), (230), (002), (231), (001), (232) bzw. (271) Kristallebenen des orthorhombischen AgIO344. Außerdem betrug die Größe der Nanopartikel, die durch Röntgenlinienverbreiterung unter Verwendung der Scherrer-Gleichung (D = kλ/β cos θ) charakterisiert wurde, etwa 29 nm.
Das XRD-Muster des Chitosan-AgIO3-Bionanokomposits.
Die Bewertung der antibakteriellen Leistung des synthetisierten Chitosan-AgIO3-Bionanokomposits gegen Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus saprophyticus, Escherichia coli und Staphylococcus aureus erfolgte mittels In-vitro-Studie und Agar-Diffusionsmethode. Die Untersuchung der Hemmzone in Millimetern (mm) um das Bionanokomposit (0,01 g) wurde gemessen, um seine antibakterielle Wirksamkeit gegen diese fünf Arten von Mikroorganismen zu bestimmen. Die Wachstumshemmzone des Bionanokomposits gegen alle fünf Bakterien ist in Abb. 6 dargestellt. Darüber hinaus sind die Details der Hemmzonenbreite jedes Bakteriums in Tabelle 1 aufgeführt. Diese Ergebnisse zeigen deutlich die hohe Leistung von Chitosan-AgIO3 bei der Abtötung verschiedener Bakterien Bakterien. Um die Leistung des Bionanokomposits gegen diese fünf Bakterien zu bewerten und zu erweitern, wurde die Wirksamkeit des Bionanokomposits im Vergleich zu Penicillin und Silbersulfadiazin als kommerzielle Antibiotika mit unterschiedlichen Konzentrationen des Penicillins und Silbersulfadiazins und einer konstanten Menge an Bionanokomposit (0,01 g) untersucht ). Die Hemmzone in Millimetern (mm) um das Bionanokomposit (0,01 g) und Penicillin (0,001 g/ml) (Abb. 7) und Silbersulfadiazin (0,001 g/ml) (Abb. 8) wurden zusammengefasst (siehe Tabellen S1 und S2). in den Zusatzinformationen). Darüber hinaus wurden Hemmzonenmessungen um das Bionanokomposit (0,01 g) sowie Penicillin (0,01 g/ml) und Silbersulfadiazin (0,01 g/ml) durchgeführt (siehe Abbildungen S1 und S2 sowie Tabellen S3 und S4 in den Zusatzinformationen), um den Einfluss zu bestimmen Konzentration der antibakteriellen Aktivität. Diese Ergebnisse zeigen, dass Chitosan-AgIO3 ein hohes Potenzial zur Ausrottung verschiedener Mikroorganismen hat. Darüber hinaus wurde die antibakterielle Aktivität des Chitosan-AgIO3-Bionanokomposits mit den relevanten antibakteriellen Materialien verglichen, über die in der Literatur berichtet wird. Daten zum ZOI (mm) gegenüber den Zielbakterien sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Hemmzonen von Chitosan-AgIO3 gegen (a) Pseudomonas aeruginosa; (b) Klebsiella pneumoniae; (c) Staphylococcus saprophyticus; (d) Escherichia coli; (e) Staphylococcus aureus-Bakterien für 24 Stunden.
Hemmzonen von Chitosan-AgIO3 gegen (a) Pseudomonas aeruginosa; (b) Klebsiella pneumoniae; (c) Staphylococcus saprophyticus; (d) Escherichia coli; (e) Staphylococcus aureus-Bakterien für 24 Stunden im Vergleich zu 0,001 g/ml Penicillin.
Hemmzonen von Chitosan-AgIO3 gegen (a) Pseudomonas aeruginosa; (b) Klebsiella pneumoniae; (c) Staphylococcus saprophyticus; (d) Escherichia coli; (e) Staphylococcus aureus-Bakterien für 24 Stunden im Vergleich zu 0,001 g/ml Silbersulfadiazin.
Die Kolonieplattenbilder der Bakterien Staphylococcus aureus (ATCC 12600) und Escherichia coli (ATCC 9637) in Gegenwart von Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit (0,01 g) sind in Abb. 9 dargestellt. Wie in der Abbildung dargestellt, sind alle Kolonien von Staphylococcus aureus und Escherichia coli wurden durch Behandlung mit dem Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit abgetötet.
Bilder von (a) Staphylococcus aureus und (b) Escherichia coli in Abwesenheit und Anwesenheit von Bionanokomposit nach 24 Stunden.
Die OD-Messungen von Bakterienkulturen wurden in Gegenwart von 0,01 g Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit, 0,5 McFarland-Trübungsstandard und Nährbouillon-Medium untersucht. Wachsende Kulturen wurden zu verschiedenen Zeitpunkten überprüft, darunter 3, 6 und 18 Stunden (Abb. 10). Wie in einem Balkendiagramm in Abb. 10a zu sehen ist, zeigt die antibakterielle Eigenschaft von Bionanokomposit eine erhebliche Hemmung des Bakterienwachstums für Escherichia coli und Staphylococcus aureus. Wie in einem Diagramm in Abb. 10b dargestellt, verringerte sich bei Escherichia coli nach 3 Stunden der Bakteriengehalt durch die Anwesenheit von Bionanokomposit um 71,96 %, und diese Wachstumshemmung betrug nach 6 Stunden 84,37 %. Nach 18 h beträgt die Bakterienreduktion 85,1 %. Bei Staphylococcus aureus sank der Bakteriengehalt nach 3 Stunden in Gegenwart von Bionanokomposit um 64,7 %. Nach 6 Stunden betrug diese Verringerung des Bakteriengehalts etwa 71,22 % und nach mindestens 18 Stunden waren 75,69 % des Bakteriengehalts verringert. Basierend auf den vorliegenden Erkenntnissen dieser Forschung stellt das Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit ein antibakterielles Mittel zur Abtötung und Hemmung des Bakterienwachstums im Hinblick auf die UV-Absorptionsspektren dar.
(a) Die Wirkung des Chitosan-AgIO3-Bionanokomposits auf die Hemmung des Bakterienwachstums bei Escherichia coli und Staphylococcus aureus und (b) der prozentuale Rückgang des Bakteriengehalts nach 3, 6 und 18 Stunden durch OD-Messungen.
Der Mechanismus der antimikrobiellen Wirksamkeit des Chitosan-AgIO3-Bionanokomposits wurde an Escherichia coli mittels Durchflusszytometrie weiter untersucht. Es ist bekannt, dass ROS ein grundlegender Faktor für die antibakteriellen Aktivitäten von Nanomaterialien sind, die die Zellmembran, Phospholipide und/oder Membranproteine direkt schädigen könnten. Reaktive Sauerstoffspezies als freie Radikale schädigen eine Vielzahl von Krankheitserregern51,52. Nanomaterialien mit ROS-produzierenden Fähigkeiten könnten eine nützliche Strategie zur Bekämpfung von Bakterien sein. Um den antibakteriellen Mechanismus von Bionanokompositen zu untersuchen, wurde die Produktion von ROS mit DCFDA, einer kommerziellen Fluoreszenzsonde, gemessen. Wie in Abb. 11 zu sehen ist, nahm die Fluoreszenzintensität im Diagramm des Bionanokomposits zu, und je stärker die Fluoreszenzintensität, desto größer die Anzahl abgestorbener Zellen, was eine gute antibakterielle Aktivität des Bionanokomposits bedeutet. Die Fluoreszenzintensität des Bionanokomposits war stärker als die der Kontrollgruppe und der MFI-Parameter des Bionanokomposits ist dreimal höher als der der Kontrollgruppe, was bedeutet, dass die toten Zellen im Bionanokomposit stark erhöht sind. Infolgedessen wurde das Bakterium aufgrund der durch die ROS-Produktion verursachten Membranschädigung geschädigt und erreichte dadurch eine antibakterielle Aktivität (Abb. 12).
Die Durchflusszytometrie-Analyse von (a) Bionanokomposit und (b) Kontrollgruppe mit Escherichia coli.
Möglicher antibakterieller Mechanismus des Chitosan-AgIO3-Bionanokomposits.
Aufgrund der zunehmenden mikrobiellen Resistenz gegen bestehende antimikrobielle Wirkstoffe, die leider den Krankheits- und Sterblichkeitsanteil erhöht, ist die Einführung und Synthese neuer antimikrobieller Wirkstoffe unerlässlich. Um in dieser Studie neue antimikrobielle Wirkstoffe einzuführen, wurde Chitosan-AgIO3-Nanokomposit erstmals mit einer einfachen Methode und unter Verwendung leicht verfügbarer Materialien erfolgreich entwickelt und synthetisiert. Chitosan ist ein natürliches Polymer und wurde als Basis des Bionanokomposits verwendet und AgIO3-Nanopartikel wurden auf der Struktur von Chitosan immobilisiert. Das Vorhandensein von Chitosan im Bionanokomposit führt zu einem biologisch abbaubaren und umweltfreundlichen Nanokomposit. Die Strukturmerkmale von Bionanokomposit wurden mit verschiedenen Techniken untersucht, darunter FT-IR-, EDX-, SEM- und XRD-Analysen, und die Ergebnisse bestätigten die wirksame Immobilisierung von AgIO3 auf Chitosan. Die antibakterielle Wirksamkeit wurde durch die Agar-Diffusionsstrategie, die Plattenzählmethode und die Untersuchung der optischen Dichte mit verschiedenen Mikroorganismen bewertet. Darüber hinaus wurde die antibakterielle Wirksamkeit des Bionanokomposits mit zwei kommerziellen Medikamenten verglichen und in einigen Fällen zeigte das synthetisierte Bionanokomposit im Vergleich zu herkömmlichen Medikamenten eine bessere Wirksamkeit gegen Bakterien. Angesichts der schwierigen Ausrottung von Pseudomonas aeruginosa aufgrund seiner beträchtlichen Antibiotikaresistenz ist die Einführung eines neuen antibakteriellen Mittels, das eine gute Wirkung gegen dieses Bakterium zeigt, sehr wichtig. Darüber hinaus wird Chitosan-AgIO3-Bionanokomposit als umweltfreundlicher und wirksamer antibakterieller Wirkstoff aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften wie hoher antibakterieller Aktivität, kostengünstiger, einfacher und umweltfreundlicher Synthesemethode in Wasserreinigungsprozessen und biomedizinischen Anwendungen dringend empfohlen. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Arbeit einen Weg zur Herstellung eines neuartigen, kostengünstigen, biologisch abbaubaren Bionanokomposits mit hoher Wirksamkeit gegen verschiedene Bakterien eröffnen könnte. Aufgrund der Wirksamkeit des synthetisierten Bionanokomposits im Vergleich zu Antibiotika könnte es als gute Lösung für therapeutische Anwendungen sowie für Brandwunden eingesetzt werden. Das Haupthindernis dieser Arbeit ist die Trennung des Bionanokomposits, das in unserer zukünftigen Forschung sowie anderen Anwendungen des Chitosan-AgIO3-Bionanokomposits geplant ist.
Zusätzliche ergänzende Informationen umfassen neben diesen Tabellen für 0,01 g/ml Penicillin auch die Tabelle der Breite der Hemmzone in Millimetern (mm) um das Bionanokomposit (0,01 g) gegen verschiedene Bakterien und einen Vergleich mit 0,001 g/ml Penicillin und Silbersulfadiazin und Silbersulfadiazin. Darüber hinaus finden Sie in der Online-Version dieses Artikels auf der Website des Herausgebers Zahlen zu den Hemmzonen von Chitosan-AgIO3 gegen verschiedene Bakterien für 24 Stunden im Vergleich zu 0,01 g/ml Penicillin und Silbersulfadiazin.
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Die Autoren bedanken sich für die teilweise Unterstützung durch den Forschungsrat der Iranischen Universität für Wissenschaft und Technologie.
Forschungslabor für Katalysatoren und organische Synthese, Abteilung für Chemie, Iranische Universität für Wissenschaft und Technologie, Teheran, 16846-13114, Iran
Mohammad Ali Ahghari, Mohammad Reza Ahghari, Maryam Kamalzare und Ali Maleki
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AM entwarf die Studie, koordinierte die Studie und half bei der Erstellung des Manuskripts und der Interpretation der Daten, MRA beteiligte sich am Design der Studie, führte Analysen durch und beteiligte sich an der Diskussion der Ergebnisse. MAA und MK bereiteten den Entwurf des Manuskripts vor und beteiligten sich an der Diskussion der Ergebnisse. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.
Korrespondenz mit Ali Maleki.
Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.
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Nachdrucke und Genehmigungen
Ahghari, MA, Ahghari, MR, Kamalzare, M. et al. Design, Synthese und Charakterisierung eines neuartigen umweltfreundlichen Chitosan-AgIO3-Bionanokomposits und Untersuchung seiner antibakteriellen Aktivität. Sci Rep 12, 10491 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14501-6
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Eingegangen: 05. März 2022
Angenommen: 08. Juni 2022
Veröffentlicht: 21. Juni 2022
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14501-6
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