Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Нанокомпозиты на основе оксида графена, украшенные наночастицами серебра в качестве антибактериального агента

Аннотация

Одним из наиболее перспективных методов борьбы с лекарственно-устойчивыми бактериями могут быть поверхностно-модифицированные материалы с биоцидными наночастицами и нанокомпозиты. Здесь мы представляем нанокомпозит с наночастицами серебра (Ag-NP) на поверхности оксида графена (GO) в качестве нового многофункционального антибактериального и противогрибкового материала. Ультразвуковые технологии были использованы как эффективный метод покрытия полиуретановой фольги. Токсичность для грамотрицательных бактерий ( Escherichia coli ), грамположительные бактерии ( Staphylococcus aureus и эпидермальный стафилококк ) и патогенные дрожжи ( Candida albicans ) оценивали путем анализа морфологии клеток, оценки жизнеспособности клеток с помощью анализа PrestoBlue, анализа целостности клеточной мембраны с помощью анализа лактатдегидрогеназы и продукции активных форм кислорода. По сравнению с Ag-NP и GO, которые широко использовались в качестве антибактериальных агентов, наш нанокомпозит демонстрирует гораздо более высокую антимикробную эффективность в отношении бактерий и дрожжевых клеток.

Фон

Разработка антибиотиков сыграла значительную роль в борьбе с количеством бактериальных инфекций. Однако неправильное и чрезмерное использование антибиотиков привело к развитию множественной лекарственной устойчивости у многих видов бактерий. Некоторые штаммы приобрели устойчивость практически ко всем общедоступным агентам:бета-лактамам, тетрациклинам и аминогликозидам [1]. Основными резистентными патогенами являются резистентные к метициллину Staphylococcus aureus . , устойчивый к ванкомицину Enterococcus , и продуцирующая β-лактамазы расширенного спектра действия Klebsiella pneumoniae и кишечная палочка [2, 3]. Бактерии с их очень большими популяциями и быстрым временем размножения способны быстро развивать механизмы устойчивости к антибиотикам, когда часть популяции бактерий выживает после лечения антибиотиками. Более того, устойчивые к антибиотикам бактерии способны передавать копии ДНК, которые кодируют механизм устойчивости к другим отдаленно родственным бактериям, которые затем могут передавать гены устойчивости последующим поколениям. Таким образом, появление устойчивых к антибиотикам бактерий представляет собой серьезную проблему, которую можно решить путем разработки новых противомикробных средств. Антибактериальные агенты очень важны в текстильной промышленности, дезинфекции воды, медицине и упаковке пищевых продуктов. Наночастицы и наноматериалы могут использоваться как альтернатива антибиотикам [4]. Механизм антибактериальной активности наночастиц варьируется в зависимости от типа наночастиц. В то время как некоторые предложенные механизмы относятся к физико-химической структуре наночастиц, другие относятся к повышенному высвобождению антибактериальных ионов с поверхностей наночастиц. Множественные одновременные механизмы действия против микробов потребуют множества синхронных мутаций ДНК в одной и той же микробной клетке для развития устойчивости; поэтому бактериальным клеткам трудно стать устойчивыми к наночастицам и наноматериалам. Антимикробные наноматериалы, такие как серебро, медь, фуллерены и однослойные углеродные нанотрубки, могут иметь ряд преимуществ благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам и большой площади поверхности [5,6,7,8]. Точные механизмы токсичности наночастиц (НЧ) против различных бактерий до конца не изучены. Согласно текущим исследованиям, основными процессами, лежащими в основе антибактериального действия НЧ, являются разрушение мембраны бактериальной клетки, высвобождение ионов металлов, образование АФК, проникновение через мембрану бактериальной клетки и индукция внутриклеточных антибактериальных эффектов, включая взаимодействие с ДНК и белки [9, 10]. НЧ способны прикрепляться к мембране бактерий за счет электростатического взаимодействия и нарушать целостность бактериальной мембраны. Положительный заряд поверхности наночастиц важен для адгезии. Положительный заряд делает возможным электростатическое присоединение между НЧ и отрицательно заряженной клеточной мембраной микроорганизмов [11]. Электростатическая связь НЧ с серосодержащими белками, присутствующими на поверхности бактериальных клеток, вызывает необратимые изменения в структуре клеточной стенки, приводящие к повреждению клеточной стенки и мембраны [12]. Бактериальная мембрана имеет решающее значение независимо от метаболического статуса клетки, поскольку она обеспечивает избирательную проницаемость для клеточного гомеостаза и передачи метаболической энергии. Вторая антибактериальная и противогрибковая активность НЧ обусловлена ​​их способностью продуцировать АФК и свободные радикалы [13]. Повышенный уровень АФК вызывает гиперокисление липидов, белков и ДНК [14].

Более того, структуры многих типов НЧ подходят для переноса антимикробных агентов [15, 16]. Носители могут помочь защитить лекарства от устойчивости со стороны бактерий-мишеней. Система доставки лекарств на основе наночастиц может помочь направить антибиотики в очаг инфекции и тем самым минимизировать системные побочные эффекты. Другие преимущества включают улучшенную растворимость гидрофобных лекарств, увеличенное время системной циркуляции и период полувыведения лекарства, а также замедленное высвобождение лекарства [4].

Недавно было продемонстрировано, что графен, новый аллотроп углерода, обладает антибактериальной активностью. Графен - это материал, состоящий из атомов углерода, связанных вместе повторяющимся узором шестиугольников. Уникальной особенностью чешуек графена является соотношение их толщины к поверхности. Поверхность графена покрыта электронным облаком, которое, вероятно, предрасполагает этот материал к роли донора электронов и дает ему возможность создавать особые связи. Края графена имеют другие связи (характерные для алмазных связей sp3-типа), и эти места могут иметь другие физико-химические характеристики [17]. Эти характеристики предполагают, что графен может подвергаться пластической адгезии к различным межклеточным структурам, включая бактериальные клетки [18,19,20]. Кроме того, поскольку он имеет две активные стороны (поверхность и края), графен может прикреплять биологические молекулы к своим краям и прилипать к поверхности клетки. Окисленная форма графена, оксид графена (GO), легко диспергируется в воде и других органических растворителях из-за присутствия кислородных функциональных групп. Окисленные группы обеспечивают прямую химическую функционализацию листов GO через ковалентные и нековалентные взаимодействия. Сообщалось о сильной антибактериальной активности ГО. Антибактериальная активность ГО была связана с мембранным стрессом, вызванным острыми краями нанолистов из оксида графена, что может привести к физическому повреждению клеточных мембран, что приведет к потере целостности бактериальной мембраны [21]. В последнее время антимикробные наночастицы, функционализированные графеном, используются в качестве перспективных антибактериальных материалов [22, 23]. Нанокомпозиты могут преодолеть ограничения отдельных компонентов. Например, антибактериальные наноматериалы, прикрепленные к графеновой подложке, более стабильны и хорошо диспергированы [24]. Эти нанокомпозиты могут содержать металлы, оксиды металлов и полимеры.

Одним из наиболее перспективных методов борьбы с лекарственно-устойчивыми бактериями могут быть материалы с модифицированной поверхностью с биоцидными наночастицами. Подтверждено, что ультразвуковые технологии являются эффективным методом покрытия различных материалов антибактериальными и фунгицидными веществами [25,26,27,28]. Многие исследователи относят ультразвуковой метод к «зеленой технологии» [29, 30]. Метод основан на использовании явлений кавитации, то есть образования, роста и схлопывания кавитационных пузырьков в жидкой среде [31, 32]. Взрывающиеся пузыри генерируют огромное количество энергии в микрообластях до 5000 К и давления до 2000 атм за короткий промежуток времени [33, 34]. В результате возникают ударные волны и так называемые микроструи, направленные к твердой поверхности [35]. Находясь в жидкой среде, НЧ поднимаются вверх за счет эффекта имплозии и струйных потоков с высокой скоростью (> 100 м / с) по твердой поверхности и образуют слой [36]. Акустическая кавитация также может привести к изменению физических свойств объектов, обработанных ультразвуком, например, к изменению размера хлопьев GO [37, 38] .

Мы достигли многообещающих результатов в наших предыдущих исследованиях с Salmonella enterica . и Listeria monocytogenes обработанные чистым графеном, GO и восстановленным GO [20]. Из различных типов графена было обнаружено, что ГО обладает самой высокой антибактериальной активностью при низкой концентрации. Бактериальные клетки были распределены по всей поверхности ГО. В этом исследовании мы предположили, что GO, украшенный наночастицами серебра (GO-Ag), будет иметь более сильное токсическое влияние на микробные клетки, чем чистый GO или наночастицы серебра (Ag-NP). Поскольку оксид GO имеет две активные стороны (поверхность и края), он может прикреплять Ag-NP к краям и прилипать к поверхности ячейки. Антибактериальная активность нанокомпозитов на основе графена может быть связана с разрушением клеточной мембраны и окислительным стрессом. Целью этого исследования было оценить антимикробную активность нанокомпозитов на основе ГО, украшенных Ag-NP, по сравнению с чистыми GO и Ag-NP с использованием грамотрицательных бактерий ( Escherichia coli ), грамположительные бактерии ( Staphylococcus aureus и эпидермальный стафилококк ) и патогенные дрожжи ( Candida albicans ) с использованием модели in vitro. Исследование включало структурный анализ нанокомпозитов с использованием дифракции рентгеновских лучей, спектроскопии комбинационного рассеяния света, FT-IR, электронной микроскопии (TEM), сканирующей электронной микроскопии (SEM) и атомно-силовой микроскопии (AFM), оценки морфологии микробных клеток, оценки определение жизнеспособности клеток с помощью анализа PrestoBlue ™, исследование целостности клеточной мембраны с помощью анализа лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и оценка продукции активных форм кислорода (АФК).

Методы

Синтез, модификация и характеристика оксида графена

В данном исследовании коммерчески доступный графитовый порошок (Acros Organics, Нью-Джерси, США) был окислен модифицированным методом Хаммерса [39]. Десять граммов графитового порошка смешивали с 230 мл концентрированной серной кислоты (98%) при температуре ниже 10 ° C. Затем к смеси серной кислоты и графита постепенно добавляли 4,7 г нитрата натрия и 30 г перманганата калия, поддерживая температуру ниже 10 ° C. Затем смесь нагревали до 30 ° C и перемешивали в течение 2 часов. На следующем этапе добавляли 100 мл воды, и температура смеси достигала ~ 100 ° C. Наконец, смесь обрабатывали 10 мл перекиси водорода. Для очистки суспензию фильтровали и промывали деионизированной водой до тех пор, пока pH фильтрата не достиг 6,5.

Рентгеновские дифрактограммы GO были получены при комнатной температуре в диапазоне угла 2 тета от 10 ° до 100 ° с шагом 0,02 ° с использованием порошкового рентгеновского дифрактометра ( CuK α1 ) (X’Pert PRO, PANalytical, Алмело, Нидерланды).

Массовый анализ углерода, водорода, азота и серы в ОГ проводили на приборе Vario EL III производства Elementar Analysensysteme GmbH (Langenselbold, Германия). Перед проведением измерений химических анализов GO образцы подвергали 24-часовой десорбции на станции десорбции (VcPrep 061, Micromeritics, Norcross, GA, USA) в вакууме (0,05 мбар) при 50 ° C. Содержание кислорода было рассчитано путем вычитания определенного содержания углерода, водорода, азота и серы из 100% веса.

Рамановскую спектроскопию проводили с использованием рамановского микроскопа inVia (Renishaw, Великобритания). Оксид графена анализировали на длине волны лазера 514 нм с мощностью 5% от начальной. Спектры были получены из пяти разных точек на образце. Время экспозиции составляло 10 с, было сделано два сканирования.

ИК-Фурье измерения проводили на спектрометре Nicolet iS10 (Thermo Fisher Scientific, США) в режиме ослабленного полного отражения на кристалле алмаза. На поверхность кристалла алмаза капали пять микролитров водной суспензии оксида графена и оставляли для высыхания. После высыхания спектр собирался в диапазоне 400–4000 см -1 . .

Измерения среднего размера частиц и дзета-потенциала проводили с использованием Zetasizer Nano-ZS ZEN 3600, производимого Malvern Instruments Ltd. (Малверн, Великобритания), с использованием режима динамического светорассеяния (DLS) и лазерного доплеровского электрофореза, соответственно, при комнатной температуре (23 ° С). В).

Анализ наноматериалов методом ТЕМ / СЭМ / АСМ

Морфологию порошков и фольг определяли с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ; JEM-1220 JEOL, Токио, Япония, ускоряющее напряжение 80 кВ) и растрового электронного микроскопа (СЭМ; Zeiss, Ultra Plus, Оберкохен, Германия). Образцы для наблюдений с помощью ПЭМ готовили путем помещения капель гидроколлоидов на сетки ПЭМ (Formvar на сетках Cu 200 меш 3 мм, Agar Scientific, Станстед, Великобритания). Сразу после сушки капель на воздухе сетки были вставлены в микроскоп.

Для анализа SEM образцы были покрыты тонким углеродным слоем с использованием устройства для нанесения покрытий распылением (SCD 005 / CEA 035, BAL-TEC, Pfäffikon, Швейцария). Применялась внутренняя процедура лабораторных измерений (P5.10, редакция 6 от 26.08.2015).

Получение изображений методом АСМ (атомно-силовая микроскопия) проводили с использованием программного обеспечения Asylum Research MFP3D Bio (версия:Asylum Research MFP3D 15.106.09). Визуализация топографии поверхности и обнаружение GO на тестируемых поверхностях фольги проводились с использованием двух режимов визуализации:режима AC для фазово-контрастной визуализации и микроскопии боковых сил (LFM) для обнаружения GO, поскольку GO снижает силы трения [40] .

Подготовка полиуретановой фольги с покрытием GO и Ag-NP

Для покрытия полиуретановой фольги использовали суспензии Ag-НП (HydroSilver1000, Amepox, Лодзь, Польша) и ГО. Суспензии ГО, Ag-NP и GO-Ag (GO (200 мкг / мл), Ag-NP (100 мкг / мл), GO (200 мкг / мл) + Ag-NP (100 мкг / мл)) были приготовлен в деионизированной воде (проводимость 0,09 мкСм / см, деионизатор:HLP 20UV, Hydrolab, Сташин, Польша). Суспензии использовали без дополнительной очистки и фильтрации.

Ультразвуковое покрытие полиуретановой фольги (15 × 15 × 0,05 мм) проходило в стеклянной колбе объемом 50 мл. Образцы фольги закрепляли на штативе (тефлон) и затем погружали в приготовленные суспензии. Процесс нанесения покрытия выполняли с использованием ультразвукового рупора (Ti-рупор, Ø13 мм, эффективность 60%, 20 кГц, Sonics &Materials, Inc., Ньютаун, Коннектикут, США), расположенного под прямым углом к ​​образцам фольги, присутствующим в суспензии. Температура процесса 30 ± 1 ° C. Покрытые образцы промывали деионизированной водой и сушили в ламинарной камере, а затем упаковывали в стерильные упаковки.

Свободная энергия поверхности

Испытания смачиваемости проводили на гониометре Data Physics OCA - 20 (DataPhysics Instruments GmbH, Фильдерштадт, Германия). Свободная поверхностная энергия (SFE) была рассчитана с использованием метода Оуэнса, Вендта, Рабеля и Кельбла (OWRK) с использованием двух тестовых жидкостей:деионизированной воды и дииодметана [41].

Выращивание и подготовка бактерий и дрожжей

Золотистый стафилококк (ATCC 25923) и эпидермальный стафилококк (ATCC 14990), кишечная палочка (ATCC 25922) и Candida albicans (90028) были получены от LGC Standards (Ломянки, Польша). Штаммы хранили в виде суспензий спор в 20% ( v / v ) глицерин при -20 ° C. Перед использованием в экспериментах штаммы размораживали и глицерин удаляли промыванием бактериальных клеток дистиллированной водой. Затем бактерии и дрожжи выращивали на следующих питательных средах:триптический соевый агар для S . aureus и E . кишечная палочка , мозгово-сердечный агар для S . эпидермид и агар Сабуро для C . albicans (Merck Millipore, Дармштадт, Германия). Бактерии и дрожжи, выращенные на чашках с агаром, собирали осторожной промывкой планшетов стерильным дистиллированным физиологическим раствором. Для расчета количества бактерий в суспензии клеток оптическая плотность суспензии при 600 нм (OD 600 ) измеряли с помощью спектрофотометра (Helios Epsilon, Unicam, Милуоки, Висконсин, США). Калибровочные кривые для каждого из микроорганизмов были построены путем выполнения серийных десятикратных разведений (до 10 - 5 ) бактериальных и дрожжевых суспензий известной оптической плотности. Один миллилитр каждого разведения распределяли по чашкам Петри, содержащим питательную среду. После 24 ч инкубации при 37 ° C подсчитывали количество колоний, образовавшихся на чашках Петри. На основании результатов подсчетов (проведенных в трех экземплярах) была рассчитана плотность исходной бактериальной суспензии в колониеобразующих единицах (КОЕ) / мл.

Антимикробный анализ

Посевной материал для антибактериального анализа был приготовлен из активно растущих организмов (логарифмическая фаза). Инокуляты всех микроорганизмов были приготовлены из ночной культуры, выращенной в аэробных условиях в бульоне Мюллера-Хинтона (MH) при 37 ° C. Концентрацию бактерий и дрожжей определяли путем измерения оптической плотности при 600 нм (OD 600 ). Вкратце, бактериальные и дрожжевые суспензии готовили из ночных культур и доводили до 10 6 КОЕ / мл. Посевной материал равномерно высевали на поверхность агара MH в чашках Петри с помощью мазка. На поверхность агара наносили стерильные фольги, покрытые GO, Ag-NP и GO-Ag. Фольги без наночастиц использовали в качестве контрольной группы. Рост бактерий и дрожжей под пленкой измеряли через 24 часа инкубации при 37 ° C.

Анализ жизнеспособности

Жизнеспособность клеток оценивали с помощью анализа жизнеспособности клеток PrestoBlue ™ (Life Technologies, Тааструп, Дания). Реагент PrestoBlue ™ быстро восстанавливается метаболически активными клетками, обеспечивая количественную оценку жизнеспособности и цитотоксичности. Бактериальные и дрожжевые клетки культивировали на фольгах, покрытых GO, Ag-NP и GO-Ag, расположенных на вставках, вставленных в 6-луночные планшеты (200 мкл бульона MH с 5 × 10 3 клеток на фольгу) и инкубировали в течение 24 часов. На следующем этапе 90 мкл каждого образца переносили в 96-луночные планшеты, добавляли 10 мкл реагента PrestoBlue ™ в каждую лунку и инкубировали еще 2 часа при 37 ° C. Оптическую плотность каждой лунки регистрировали при 570 нм на ридере для иммуноферментного анализа (ELISA) (Infinite M200, Tecan, Durham, NC, USA). Жизнеспособность клеток выражали в процентах (OD test - OD blank ) / (OD контроль - OD blank ) × 100%, где OD test оптическая плотность клеток, экспонированных на исследуемых фольгах, OD control оптическая плотность контрольного образца, OD blank оптическая плотность лунок без бактериальных и дрожжевых клеток.

Целостность мембраны

Для оценки целостности клеточной мембраны использовали тест ЛДГ (набор для анализа токсикологии in vitro, на основе лактодегидрогеназы, Sigma-Aldrich, Гамбург, Германия). Полученный восстановленный НАД (НАДН + ) был использован при стехиометрическом превращении тетразолиевого красителя. Когда анализировали бесклеточные аликвоты среды из культур, количество активности ЛДГ можно было использовать в качестве индикатора целостности мембраны. Если мембрана была повреждена, внутриклеточные молекулы ЛДГ попадали в культуральную среду. Бактериальные и дрожжевые клетки культивировали на фольгах (GO, Ag-NP и GO-Ag), расположенных на вставках, вставленных в 6-луночные планшеты (200 мкл бульона MH с 5 × 10 3 клеток на фольгу) и инкубировали в течение 24 часов. В качестве контроля использовали клетки, культивированные на фольге без наночастиц. По истечении этого времени образцы переносили в микроцентрифужные пробирки и центрифугировали при 1200 об / мин в течение 5 мин. Сто микролитров супернатанта переносили в 96-луночные планшеты, и в каждую лунку добавляли 100 мкл смеси для анализа LDH. Планшет накрыли и инкубировали 30 мин при комнатной температуре. Оптическую плотность каждой лунки регистрировали при 450 нм на ридере для ELISA (Infinite M200, Tecan, Männedorf, Швейцария). Утечка LDH выражалась в процентах {(OD test - OD blank ) - (OD контроль - OD blank ) / (OD контроль - OD blank )} × 100%, где OD test оптическая плотность клеток, экспонированных на исследуемых фольгах, OD control оптическая плотность контрольного образца, OD blank оптическая плотность лунок без клеток.

Анализ микроорганизмов с помощью SEM

Перед анализом SEM были подготовлены образцы бактерий и дрожжей, инкубированных на фольге с GO-Ag и необработанными бактериями. Вкратце, капля бактериальной и дрожжевой культуры (10 6 КОЕ / мл) инкубировали на фольгах с нанокомпозитом GO-Ag, либо необработанные бактерии откладывали на поверхности стерильного покровного стекла и инкубировали в течение 24 ч при 37 ° C внутри пустой чашки Петри. Все образцы были высушены и покрыты золотом. Наконец, образцы были получены с помощью SEM (FEI Quanta 200, Токио, Япония) при ускоряющем напряжении 15 кВ.

ROS Production

Продукция ROS оценивалась с помощью DCFDA, Cellular Reactive Oxygen Species Detection Assay Kit (Abcam, Cambridge, UK). DCFDA использует реагент, проникающий в клетки, 2 ', 7'-дихлорфлуоресцеиндиацетат, флуорогенный краситель, который измеряет активность гидроксильных, пероксильных и других АФК в клетке. После диффузии в клетку DCFDA деацетилируется клеточными эстеразами до нефлуоресцентного соединения, которое позже окисляется ROS до 2 ', 7'-дихлорфлуоресцеина (DCF). Бактериальные и дрожжевые клетки культивировали на фольгах (GO, Ag-NP и GO-Ag), расположенных на вставках, вставленных в 6-луночные планшеты (200 мкл бульона MH с 5 × 10 3 клеток на фольгу) и инкубировали в течение 24 часов. В качестве контроля использовали клетки, культивированные на фольге без наночастиц. По истечении этого времени образцы переносили в микроцентрифужные пробирки и центрифугировали при 1200 об / мин в течение 5 мин. Сто микролитров супернатанта переносили в 96-луночные планшеты, в каждую лунку добавляли 100 мкл разбавленного DCFDA и инкубировали еще 45 мин при 37 ° C в темноте. Производство DCF измеряли с помощью флуоресцентной спектроскопии с длиной волны возбуждения 485 нм и длиной волны излучения 535 нм на ридере ELISA (Infinite M200, Tecan, Дарем, Северная Каролина, США).

Результаты

Характеристики ГО и Ag-НП

Химический анализ показал присутствие азота, углерода, серы, водорода и кислорода (таблица 1).

Фазовый анализ образца GO (рис. 1) выявил присутствие примесей из следовых количеств графита, нитрата натрия и, вероятно, восстановленной формы оксида графена.

Рентгенограммы порошков GO. Фазовый анализ образца GO выявил наличие примесей из следовых количеств графита, нитрата натрия и, вероятно, восстановленной формы оксида графена

Рамановская спектроскопия может дать информацию о структурных особенностях оксида графена. Полоса D связана со структурным беспорядком, а полоса G связана с растяжением связей углерода sp 2 атомы [42]. Дополнительные полосы (включая D ', 2D и D + G) возникают из-за дефектов, присутствующих в графитовой структуре углеродного материала. Я D / Я G соотношение (рассчитанное по интенсивности полос D и G) может быть использовано для характеристики беспорядка графитовой структуры в углеродных материалах. Как видно на рис. 2, GO имеет сильно разупорядоченную структуру из-за множества функциональных групп в структуре, образовавшихся в процессе окисления графитового порошка. Положение полосы D составляет 1351 см −1 и полоса G 1590 см −1 ; Я D / Я G коэффициент 1,15.

Рамановский спектр оксида графена с предполагаемой деконволюцией полос D, G, D ', 2D и D + G. GO имеет сильно разупорядоченную структуру из-за множества функциональных групп в структуре, образовавшихся в процессе окисления графитового порошка. Положение полосы D составляет 1351 см −1 и полоса G 1590 см −1 ; Я D / Я G коэффициент 1,15

ИК-Фурье-спектр оксида графена, полученный в режиме НПВО, показал, что GO имеет много функциональных групп, присутствующих в структуре. Наиболее заметный пик наблюдается на ~ 3500 см −1 . , который относится в основном к воде и гидроксильным группам (рис. 3). Очень интенсивный пик около 1080 см −1 также можно отнести к гидроксильным группам. Пик около 1600 см −1 обычно приписывается связям C =C, присутствующим в графитовом углероде. Однако наши предыдущие исследования XPS показывают, что в оксиде графена есть несколько связей C =C [43]; следовательно, мы приписываем этот пик в основном воде, все еще присутствующей в оксиде графена. Другие пики, наблюдаемые в спектре FT-IR, показывают, что GO богат группами, содержащими связи C =O (в основном карбоксильные группы), пик около 1720 см -1 , эпоксидная смола (C – O – C) с видимым пиком около 1200 см −1 , и связи C – H (пик около 2800 см −1 ). Анализ FT-IR хорошо согласуется с измерениями XPS, выполненными для оксида графена, где также были идентифицированы гидроксильные, карбоксильные, эпоксидные и карбонильные группы [44]. GO и GO после 10-минутной ультразвуковой гомогенизации сравнивали (рис. 4 и 5), и аналогичным образом сравнивали Ag-NP с Ag-NP после 10-минутной ультразвуковой гомогенизации (рис. 4 и 6). Чтобы избежать изменения морфологии соединения, все соединения быстро охлаждали жидким азотом и сушили в лиофилизаторе. На рис. 5а, б представлены чешуйки ГО, а на рис. 5в, г показано влияние ультразвука на хлопья ГО, которые претерпевают частичное сворачивание и фрагментацию. На рисунке 6 также показан аналогичный эффект для Ag-NP, где видно изменение морфологии материала. На рис. 6а, б показан высушенный поливиниловый спирт, использованный для стабилизации водной суспензии НЧ Ag. Деструктивный эффект ультразвуковой гомогенизации был заметен, поскольку структура поливинилового спирта была разбита на длинные неоднородные части с небольшими сферическими отверстиями (рис. 6c, d).

FT-IR (НПВО, ослабленное полное отражение) спектр оксида графена с предполагаемым назначением функциональных групп, присутствующих в GO. Наиболее заметные пики наблюдались при ~ 3500 см -1 . , (отнесено к воде и гидроксильным группам), ~ 1080 см −1 (гидроксильные группы), ~ 1600 см -1 (присвоено связям C =C, присутствующим в графитном углероде). Другие пики, наблюдаемые в спектре FT-IR, показывают, что GO богат группами, содержащими C =O (в основном карбоксильные группы), пик около 1720 см -1 , эпоксидная смола (C – O – C) с видимым пиком около 1200 см −1 , и связи C – H (пик около 2800 см −1 )

ПЭМ-изображения агломерированных хлопьев GO ( a ), Хлопья ГО после ультразвуковой обработки ( б ), агломерированные Ag-NP ( c ), Ag-НЧ после ультразвуковой обработки ( d ) и GO-Ag ( e , f ). Уменьшение среднего размера частиц GO после ультразвуковой обработки было вызвано дефрагментацией или складыванием хлопьев GO. Уменьшение среднего размера Ag после ультразвуковой обработки вызвано дефрагментацией агломератов Ag. Примечание:стрелки указывают на Ag-NP / агломераты

Сравнение морфологии лиофилизированных хлопьев GO ( a , b ) и хлопья GO после ультразвуковой обработки ( c , d ) с помощью сканирующей электронной микроскопии. Уменьшение среднего размера частиц GO после ультразвуковой обработки было вызвано дефрагментацией или складыванием хлопьев GO

Сравнение морфологии лиофилизированной смеси Ag-NP ( a , b ) и смесью Ag-NP после ультразвуковой обработки ( c , d ) с помощью сканирующей электронной микроскопии

Средний размер и дзета-потенциал

Результаты среднего размера частиц / агломератов в водных суспензиях представлены в таблице 2. Анализы среднего размера были выполнены для концентрированных суспензий, которые не подвергались ультразвуковой гомогенизации (в том виде, в котором они были получены), и для разбавленных суспензий. Разбавленные суспензии перед испытанием подвергали ультразвуковой гомогенизации с параметрами гомогенизации, идентичными тем, которые использовались при ультразвуковом покрытии фольги слоями наноматериалов (Ag-NPs, GO). Для суспензии Ag-NP воздействие ультразвука вызывало увеличение среднего размера частиц с 80 до 218 нм. Основная причина увеличения среднего размера частиц после ультразвуковой гомогенизации в суспензии (помимо процесса агломерации Ag-NP) заключалась в том, что Ag-NP были введены в поливиниловый спирт, который использовался для стабилизации суспензии. The large standard deviation of the Ag-NP sample homogenized by ultrasound resulted from the presence of both loose Ag-NPs and Ag-NPs driven into the poly(vinyl alcohol) in the suspension. In the case of GO suspension, the average particle size of the sample subject to ultrasonic homogenization was 263 nm and was ca 7.7 times smaller than the average particle size of the sample that was not subject to homogenization. The obtained results are convergent with the SEM tests (Fig. 5), which show the destructive effect of ultrasounds on GO flakes. The decrease of the average GO particle size was caused by defragmentation or folding of the GO flakes. However, it should be emphasized that the results of the average particle size of GO suspension samples involve an error related to the nanomaterial shape. The results obtained by the DLS method are a hydrodynamic average that is calculated based on the shape of a sphere that has the same diffusion coefficient as the measured particles; however, the shape of GO was flakes, which was confirmed by SEM images.

Test results of the zeta potential analysis of samples are provided in Table 3. The zeta potential of Ag-NPs in a water suspension was merely − 5.9 mV, which resulted in a lack of electrostatic stability of the sample. The sample of Ag-NP suspension was stabilized sterically by preserving Ag-NP distances through poly(vinyl alcohol) addition, which prevented agglomeration/aggregation of Ag-NPs. The zeta potential of the GO suspension sample, in turn, was − 41 mV, which gave a moderate electrostatic stability to the sample. A moderate electrostatic stability of a sample is characterized by slow sedimentation with virtually negligible change of particle size in the period of declared fitness of the suspension. The zeta potential result of the mixture of Ag-NPs and GO was − 7.1 mV, which potentially means that during the action of the ultrasounds, the GO flakes were coated by poly(vinyl alcohol) and Ag-NPs. The obtained zeta potential result of the mixture of Ag-NPs and GO sample in the water suspension implied that electrostatic stability was not present.

Foil Characteristics

In order to determine the morphology of the created layers, four types of foil samples were compared (Fig. 7):pure polyurethane foil (A, B), GO-coated polyurethane foil (C, D), Ag-NP-coated polyurethane foil (E, F), and GO-Ag mixture-coated polyurethane foil (G, H).

Scanning electron microscopy images of a , b non-coated polyurethane foil with a smooth surface with single impurities; c , d foil coated with GO, the broken-down GO flakes deposited on the polyurethane foil surface; е , f foil coated with Ag-NPs on which grid structures composed of polyvinyl alcohol and Ag-NPs are observed; and g , ч foil coated with GO-Ag, which was mixed under the influence of ultrasounds and deposited on the foil surface

Figure 7a, b shows an uncoated polyurethane foil with a smooth surface with single impurities. In Fig. 4c, d, the broken-down GO flakes deposited on the polyurethane foil surface are noticeable. Figure 7e, f shows the foil surface coated with Ag-NPs on which grid structures composed of polyvinyl alcohol and Ag-NPs are observable. Figure 7g, h presents a mixture of GO-Ag composition, which was mixed under the influence of ultrasounds and deposited on the foil surface.

AFM Analysis and Surface Free Energy

AFM and LFM were used to complement the information about the surface morphology investigated by SEM. The investigation confirmed evolution of surface morphology by sonication of the polyvinyl alcohol with Ag-NP, GO, and GO-Ag NP solutions on the foils. Pure polyurethane foil was used as a reference foil in relation to foils coated by the ultrasonic method. The images in Fig. 8 are the AFM phase contrast images made in AC; additionally, cross sections of the GO flakes are attached under the corresponding images. Figure 8a is an image of pure polyurethane film; Fig. 7b depicts the Ag-NP-coated film, where characteristic and homogeneous grid structures are observable, being similar to those in Fig. 8e, f. Figure 8c, d shows GO-Ag-NP-coated film. Figure 8e shows the surface of the foil almost entirely covered with GO flakes; the phase contrast image helps to observe these two phases, the darker area is GO and the lighter area is polymer foil. It was noticed that the morphology of the foils has changed after Ag-NP coating comparing to the not-coated foils. The GO-Ag-NP coating differs from the previous one because it contains also small amounts of GO flakes seen as small black spots on the image, as it was mentioned earlier. Figure 8f depicts magnification of one GO flake made in LFM. The reduced friction confirms that it is, in fact, a GO flake.

AFM phase contrast images and cross sections topographic images of graphene flakes:a non-coated foil polyurethane foil; б Ag-NPs coated foil where characteristic and homogeneous grid structures are observed; c , d GO-Ag-coated foil; е GO-coated foil, the surface of the foil almost entirely covered with GO flakes; the phase contrast image helps to observe these two phases, the darker area is GO and the lighter area is polymer foil; е LFM image of graphene flake. Red marks, area of cross section

The polar component for the GO-coated foil increased in relation to pure foil, from 2.3 ± 0.6 to 68.9 ± 2.8 mJ/m 2 , while the dispersion component decreased from 34.4 ± 1.3 to 8.2 ± 1.2 mJ/m 2 . SFE increased from 36.7 ± 1.4 to 77.0 ± 3.4 mJ/m 2 . A similar effect was not observed on foil surfaces coated with Ag-NPs and GO-Ag mixture. SFE of foil samples coated with Ag-NPs and GO-Ag mixture does not differ statistically (Table 4).

Antibacterial Properties

The antibacterial activity of the different foils coated with GO, Ag-NPs, and GO-Ag were tested with E . coli , S . aureus , S . epidermidis , and C . albicans. Results showed that after co-incubation with bacteria at 37 °C for 24 h, foils inhibited the growth of all tested microorganisms but to various degrees. The maximum antibacterial effect against all tested microorganisms was with foil coated with the GO-Ag nanocomposite. The bacterial growth of the cells treated with foils coated with GO and Ag-NPs was slightly lower than that of cells in the control group whereas the growth of bacterial cells treated with foils coated with GO-Ag was greatly inhibited, 88.6% of E . coli , 79.6% of S . aureus , 76.5% of S . epidermidis , and 77.5% of C . albicans (Figs. 9, 10, and 11).

Antimicrobial properties of GO-Ag coated foils. The growth of E . coli ( б , c ), S . aureus ( c , d ), S . epidermidis ( е , f ), and C . albicans (g - я ) colonies is reduced after co-incubation with GO-Ag-coated foils at 37 °C for 24 h. а Representative agar plate with GO-Ag-coated foils. Notes:Black arrows point to GO-Ag coated foils; arrowheads point to colonies of microorganisms

Morphology of microorganisms after co-incubation with GO-Ag-coated foils. Scanning electron microscopy images of bacteria and yeast in the control foils (a , c , e , г ) and foils coated with GO-Ag (b , d , f , ч ) after incubation at 37 °C for 24 h. E . coli ( а , b ), S . aureus ( c , d ), S . epidermidis ( е , f ), and C . albicans (g , ч ) show decreased growth and deformed morphology after co-incubation with GO-Ag-coated foils

Foils coated with nanomaterials decrease E . coli , S . aureus , S . epidermidis , and C . albicans viability. Viability of bacteria and yeast after incubation on foils coated with Ag-NPs, GO, and GO-Ag at 37 °C for 24 h was assessed with Presto Blue assay. C control group (foil without nanoparticles), Ag foil coated with silver nanoparticles, GO foil coated with graphene oxide, GO-Ag foil coated with composite of graphene oxide and silver nanoparticles. Note:The columns with different letters (a–d) indicate significant differences between the concentrations (P  = 0.001); error bars are standard deviations

Membrane Integrity

In cases where the cell membrane is damaged, intracellular LDH molecules could be released into the culture medium. The LDH level outside the cells demonstrates the cell membrane integrity. Foils coated with GO, Ag-NPs, and GO-Ag disrupted cell membrane functionality and integrity with significant differences between control groups and the Ag-NPs and GO-Ag groups (Fig. 12). The highest disruption of cell membranes was observed in the GO-Ag groups, 66.3% of E . coli , 59.4% of S . aureus , 54.8% of S . epidermidis , and 48.5% of C . albicans .

Foils coated with nanomaterials decreased E . coli , S . aureus , S . epidermidis , and C . albicans membrane integrity. Membrane integrity of bacteria and yeast after incubation on foils coated with Ag-NPs, GO, and GO-Ag at 37 °C for 24 h was assessed with LDH assay. C control group (foil without nanoparticles), Ag foil coated with silver nanoparticles, GO foil coated with graphene oxide, GO-Ag foil coated with composite of graphene oxide and silver nanoparticles. Note:The columns with different letters (a–c) indicate significant differences between the concentrations (P  = 0.000); error bars are standard deviations

ROS Production

Low levels (or optimum levels) of ROS play an important role in signaling pathways. However, when ROS production increases and overwhelms the cellular antioxidant capacity, it can induce macromolecular damage (by reacting with DNA, proteins, and lipids) and disrupt thiol redox circuits. Foils coated with Ag-NPs and GO-Ag (P  < 0.05) increased the ROS production of all tested microorganisms compared to the control group. Foils coated with GO only increased the ROS production of C . albicans . The highest ROS production was observed in the GO-Ag group (Fig. 13).

Effect of foils coated with nanomaterials on the production of reactive oxygen species. E . coli , S . aureus , S . epidermidis , and C . albicans were cultured on foils coated with Ag-NPs, GO, and GO-Ag at 37 °C for 24 h. Production of reactive oxygen species was assessed with DCFDA, Cellular Reactive Oxygen Species Detection Assay Kit. C control group (foil without nanoparticles), Ag foil coated with silver nanoparticles, GO foil coated with graphene oxide, GO-Ag foil coated with composite of graphene oxide and silver nanoparticles. Note:The columns with different letters (a–d) indicate significant differences between the concentrations (P  = 0.000); error bars are standard deviations

Discussion

The discovery of antibiotics, natural products produced by microorganisms that are able to prevent the growth of bacteria and thus cure infectious diseases, revolutionized medical therapy; however, the overuse and misuse of antibiotics have been key factors contributing to antibiotic resistance. Now, the era of antibiotics is coming to an end, and new antibacterial agents are needed. In recent years, studies have reported nanoparticles as a promising alternative to antibacterial reagents because of their antibacterial activity in several biomedical applications [19, 45]. Nanoparticles can be an effective way to control many pathogenic and antibiotic-resistant microorganisms. Among many metal nanoparticles, Ag-NPs have been intensely studied because of the distinct properties of their antibacterial activity [7]. Ag-NPs have been proved effective against over 650 microorganisms including bacteria (both gram-positive and negative), fungi, and viruses; however, the precise mechanism of antimicrobial action is not understood completely [46]. Ag-NP exposure to microorganisms could cause adhesion of nanoparticles to the peptidoglycan and the cell membrane [47], penetration inside the cell [48], induction of ROS [49], and damaging of intracellular structures [50]. However, bare Ag-NPs aggregate when they come into contact with bacteria; thus, they lose their active surface area and show weaker antibacterial activity [51]. To overcome this problem, nanocomposites composed of graphenic materials and Ag-NPs or other metal nanoparticles could be fabricated. GO with oxygen-containing functional groups is water soluble and therefore more biocompatible than pristine graphene. As a result, Ag-based GO nanocomposites may be used as antibacterial agents. However, the information about antimicrobial properties of graphene-based composites is limited, and mechanisms of toxicity or lack of toxicity are not fully explained.

The aim of this work was to study the action of graphene oxide-based nanocomposites decorated with Ag nanoparticles on S . aureus , S . epidermidis , E . coli , and C . albicans growth; membrane integrity; and ROS production. After co-incubation with the bacterial and yeast cells for 24 h, foils coated with GO-Ag nanocomposite inhibited the growth of all tested microorganisms with varying degrees, 88.6% of E . coli , 79.6% of S . aureus , 76.5% of S . epidermidis , and 77.5% of C . albicans . This action is most probably due to an increase in cell membrane and wall penetration by the nanoparticles. Some researchers suggest that the antimicrobial activity of graphene-based nanocomposites may be due to the disruption of cell membrane integrity and oxidative stress [52].

Foils coated with GO, Ag-NPs, and GO-Ag disrupted cell membrane functionality and integrity with significant differences between the control group and the Ag-NPs and GO-Ag groups. The highest disruption of cell membranes was observed in the GO-Ag groups, 66.3% of E . coli , 59.4% of S . aureus , 54.8% of S . epidermidis , and 48.5% of C . albicans . However, foils coated with bare Ag-NPs also disrupted cell membranes. It has been proposed that Ag-NPs are able to interact with bacterial membranes by increasing permeability and changing the structure of membranes, which finally leads to cell death [50]. Ag-NPs can cause direct damage to the bacterial cell membrane. Bacteria may be killed by the combined bactericidal effects of the released Ag + ions and Ag nanoparticles. Additionally, the antimicrobial potential of Ag-NPs is also influenced by the thickness of the cell wall of the microorganisms [53]. The wall of gram-positive cells contains a thick layer (20–80 nm) of peptidoglycan, which is attached to teichoic acids. In gram-negative bacteria, the cell wall comprises a thin (7–8 nm) peptidoglycan layer and contains an outer membrane. The thicker peptidoglycan layer in gram-positive bacteria, such as S . aureus and S . epidermidis , may explain why these bacteria are more resistant to the antibacterial effects of GO-Ag.

Many studies have sought to establish a mechanism of action of antibacterial activity exhibited by silver in both its colloidal and ionic form. A disruption of membrane functionality from an interaction between released Ag + ions and the cell membrane and extensive cell membrane damage caused by the formation of ROS ultimately causes damage to the cell due to oxidative stress. Additionally, Ag + ions could cause dysfunction of the respiratory electron transport chain by uncoupling it from oxidative phosphorylation by inhibiting respiratory chain enzymes [54]. Foils coated with Ag-NPs and GO-Ag increased the ROS production of all tested microorganisms compared to the control group. The biological targets are DNA, RNA, proteins, and lipids. Lipids are one major target during oxidative stress. Free radicals can directly attack polyunsaturated fatty acids in bacterial and yeast membranes and activate peroxidation of lipids. A fundamental effect of lipid peroxidation is a decrease in membrane fluidity, which can significantly disrupt membrane-bound proteins. DNA is also a main target. Mechanisms of DNA damage involve abstractions and addition reactions by free radicals leading to carbon-centered sugar radicals and OH- or H-adduct radicals of heterocyclic bases. The sugar moieties producing single- and double-strand breaks in the backbone, adducts of base and sugar groups, and cross-links to other molecules can block replication. Foils coated with GO increased the ROS production at very low levels. However, Hu et al. [55] demonstrated that GO had a detrimental effect on E . coli due to decreased production of ATP and increased ROS production. Zhao et al. [56] reported the antibacterial activity of GO and reduced GO. Also, Gurunathan et al. [57] presented that GO and reduced GO showed significant antibacterial activity in a concentration- and time-dependent manner. Their results demonstrated that oxidative stress is a key mechanism for the antibacterial activity of GO and reduced GO through ROS generation. Nanda et al. [53] reported the effect of cystamine-conjugated GO against E . coli , S . typhimurium , E . faecalis , and B . subtilis with ROS production and high antibacterial activity.

Kurantowicz et al. [20] confirmed that bacteria could adhere to the GO surface, which results in the highest antibacterial activity. GO is characterized by a high degree of oxygenated functional groups:carbonyl, carboxylate, and hydroxyl. We hypothesize that these groups can be attractive groups for bacterial and yeast attachment. These groups are present on a large range of nutrients (amino acids, fatty acids) which are commonly recognized by microorganisms. In the present study, foils coated with GO induced membrane disruption and ROS production at a lower level than the Ag-NP and Ag-GO groups; however, cell viability was decreased, which is likely connected to the smaller active surface of GO after ultrasonic modifications.

Conclusions

Ag-NPs, GO, and Ag-GO nanocomposites demonstrated the antibacterial activity that is stronger against gram-negative bacteria (E . coli ) versus gram-positive bacteria (S . aureus and S . epidermidis ) and yeast (C . albicans ). The results showed that the decoration of GO with Ag-NPs promotes a synergistic effect and reduces dramatically the concentrations required to inhibit all tested bacterial and yeast strains. The antimicrobial potential of Ag-GO is also influenced by the thickness of the cell wall of the microorganisms. The thicker peptidoglycan layer in gram-positive bacteria, such as S . aureus and S . epidermidis , may explain why these bacteria are more resistant to the antibacterial effects of GO-Ag. A disruption of membrane functionality from an interaction between released Ag nanoparticles/Ag + ions and the cell membrane and extensive cell membrane damage caused by the formation of ROS ultimately caused damage to the cell due to oxidative stress. In order to explain the mechanism of ROS production, additional studies are needed. Our research indicates the potential applicability of GO-Ag as an antimicrobial agent.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

Ag-NPs:

Silver nanoparticles

DLS:

Динамическое рассеяние света

GO:

Оксид графена

GO-Ag:

Graphene oxide decorated with silver nanoparticles

LDE:

Laser Doppler electrophoresis

LDH:

Lactate dehydrogenase

ROS:

Reactive oxygen species

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция


Наноматериалы

  1. Электроспряденные полимерные нановолокна, украшенные наночастицами благородных металлов для определения х…
  2. Нанокомпозиты из оксида графена, украшенные титанатом:получение, огнестойкость и фотодеградация
  3. Новые нанокомпозиты полистирола с полианилином, легированным лаурилсерной кислотой
  4. Нацеливание на эндотелиальные клетки с помощью многофункциональных наночастиц GaN / Fe
  5. Биобезопасность и антибактериальная способность графена и оксида графена in vitro и in vivo
  6. Синергетические эффекты наночастиц Ag / BiV1-xMoxO4 с повышенной фотокаталитической активностью
  7. Магнитные поли (N-изопропилакриламид) нанокомпозиты:влияние метода получения на антибактериальные свойства
  8. Стимуляция роста клеток SH-SY5Y наночастицами золота, модифицированными 6-меркаптопурином и проникающим в нейро…
  9. Антибактериальная активность приготовленного in situ раствора наночастиц хитозана / серебра против метициллин…
  10. Последние достижения в синтетических методах и применении серебряных наноструктур