Truong Thi Tuong Vi

1 Departamentul de inginerie chimică și a materialelor și Centrul de cercetare pentru tehnologia verde, Universitatea Chang Gung, orașul Taoyuan 333, Taiwan; moc.liamg@500ivgnoutihtgnourt (T.T.T.V.); moc.liamg@tsnramukhsejar (S.R.K.)

Selvaraj Rajesh Kumar

1 Departamentul de inginerie chimică și a materialelor și Centrul de cercetare pentru tehnologia verde, Universitatea Chang Gung, orașul Taoyuan 333, Taiwan; moc.liamg@500ivgnoutihtgnourt (T.T.T.V.); moc.liamg@tsnramukhsejar (S.R.K.)

Bishakh Rout

2 Departamentul de Inginerie Biochimică și Biomedică, Universitatea Chang Gung, Taoyuan City 333, Taiwan; moc.liamg@nuf4hkahsib (B.R.); wt.ude.ugc.liam@lhc (C.-H.L.)

Chi-Hsien Liu

2 Departamentul de Inginerie Biochimică și Biomedică, Universitatea Chang Gung, Taoyuan City 333, Taiwan; moc.liamg@nuf4hkahsib (B.R.); wt.ude.ugc.liam@lhc (C.-H.L.)

Chak-Bor Wong

3 Departamentul de Chirurgie Ortopedică, Spitalul Memorial Chang Gung, Keelung City 204, Taiwan; moc.oohay@gnowrobi (C.-B.W.); moc.liamg@iewniylf (C.-W.C.); moc.liamg@2891nehchc (C.-H.C.)

Chia-Wei Chang

3 Departamentul de Chirurgie Ortopedică, Spitalul Memorial Chang Gung, Keelung City 204, Taiwan; moc.oohay@gnowrobi (C.-B.W.); moc.liamg@iewniylf (C.-W.C.); moc.liamg@2891nehchc (C.-H.C.)

Chien-Hao Chen

3 Departamentul de Chirurgie Ortopedică, Spitalul Memorial Chang Gung, Keelung City 204, Taiwan; moc.oohay@gnowrobi (C.-B.W.); moc.liamg@iewniylf (C.-W.C.); moc.liamg@2891nehchc (C.-H.C.)

Dave W. Chen

3 Departamentul de Chirurgie Ortopedică, Spitalul Memorial Chang Gung, Keelung City 204, Taiwan; moc.oohay@gnowrobi (C.-B.W.); moc.liamg@iewniylf (C.-W.C.); moc.liamg@2891nehchc (C.-H.C.)

Shingjiang Jessie Lue

1 Departamentul de inginerie chimică și a materialelor și Centrul de cercetare pentru tehnologia verde, Universitatea Chang Gung, orașul Taoyuan 333, Taiwan; moc.liamg@500ivgnoutihtgnourt (T.T.T.V.); moc.liamg@tsnramukhsejar (S.R.K.)

4 Departamentul de Siguranță, Sănătate și Inginerie de Mediu, Universitatea Tehnologică Ming-Chi, New Taipei City 243, Taiwan

5 Departamentul de Oncologie a Radiațiilor, Spitalul Memorial Chang Gung, orașul Taoyuan 333, Taiwan

Abstract

În această lucrare, nanoparticulele de argint (Ag NPs) au fost decorate pe straturi de tiol (–SH) altoite de oxid de grafen (GO) altoit pentru a investiga activitățile antibacteriene din bacteriile Gram-pozitive (Staphylococcus aureus) și bacteriile Gram-negative (Pseudomonas aeruginosa). Ag NP-urile cvasisferice, de dimensiuni nano, au fost atașate la straturile de suprafață GO, confirmat prin utilizarea microscopiei electronice cu scanare cu emisie de câmp (FESEM) și, respectiv, a microscopiei electronice cu transmisie (TEM). Dimensiunea medie a nanocompozitelor GO-Ag a fost semnificativ redusă (327 nm) față de cele ale GO curat (962 nm), în timp ce dimensiunea medie a Ag NP încărcate a fost semnificativ mai mică decât Ag NP fără GO. Diverse concentrații de soluții de AgNO3 (0,1, 0,2 și 0,25 M) au fost încărcate în foi de nano GO și au dus la conținutul de Ag de 31, 43 și respectiv 65%, cu dimensiuni de 1-2 nm de Ag NPs ancorate pe straturile GO . Aceste probe GO-Ag au sarcini de suprafață negative, dar proba GO-Ag 0,2 M (43% Ag) a demonstrat cea mai mare eficiență antibacteriană. La o încărcare de 10 ppm de suspensie GO-Ag, doar o probă GO-Ag 0,2 M a dat o ușoară inhibare bacteriană (5,79-7,82%). Deoarece conținutul GO-Ag a fost dublat la 20 ppm, compusul GO-Ag 0,2 M a expus

49% inhibare. Când nivelul compozit GO-Ag 0,2 M a fost ridicat la 100 ppm, s-au găsit eficiențe de inhibare de aproape 100% atât la Staphylococcus aureus (SA), cât și la Pseudomonas aeruginosa (PA), care au fost semnificativ mai mari decât folosirea GO curat (27% și 33%) ). pentru SA și PA). Efectul combinat al nanoparticulelor GO și Ag demonstrează activități antibacteriene eficiente.

1. Introducere

În ultimii ani, dezvoltarea materialelor antibiotice a devenit contestată din cauza rezistenței la antibiotice. Rezistența la antibiotice s-a răspândit în întreaga lume și ne amenință viața de zi cu zi [1]. Chiar dacă mecanismul exact al funcției antibacteriene este încă exploatat, antibioticele convenționale au multe defecte datorate digestiei inadecvate, limitării urinare și pierd rapid eficacitatea [2]. S-a raportat că rezistența la antibiotice provoacă mutații ale structurii genomice, rezultând modificări ale fenotipurilor bacteriilor pentru a reduce eficiența antibioticelor și pentru a dezvolta rezistență la antibiotice [3,4].

Recent, mulți cercetători au descoperit beneficiile oxidului de grafen (GO) și versatilității în furnizarea de medicamente și a resurselor biologice. GO cuprinde un material bidimensional tipic realizat din atomi de carbon, care sunt ambalate dens într-o rețea de cristal cu fagure de miere [5] și a fost utilizat ca material promițător pentru prepararea de noi compozite în ultimele decenii [6]. Mai mult, este raportat că GO și compozitele sale posedă agenți anti-microbieni, anti-bacterieni și anti-fungici [7,8]. Mai multe studii au arătat proprietățile antibiotice eficiente utilizând atât mecanisme fizice, cât și mecanisme chimice. Zou și colab. a susținut că structura stratului GO poate înfășura membrana celulară a bacteriilor și poate provoca stres oxidativ în planul bazal, deteriorând astfel membrana celulară [9]. Când membranele bacteriene sunt expuse la grafit sau GO, are loc oxidarea glutationului, un important antioxidant celular [10].

Nanoparticulele de argint (Ag NPs) sunt, de asemenea, considerate un material eficient cu proprietăți antibacteriene. Bacteriile sunt mai puțin predispuse să dezvolte rezistență împotriva Ag NPs decât cele ale antibioticelor convenționale [11]. Prin urmare, combinația dintre Ag NPs și GO este sugerată pentru a produce proprietăți antibiotice mai bune decât componentele lor individuale. Legarea dintre GO și Ag deține o bună hidrofilitate, o stabilitate chimică ridicată și o capacitate ridicată de oxidare care provoacă stresul de membrană și oxidativ [12]. Mecanismul antimicrobian propus este că GO înfășoară bacteriile în timp ce Ag ucide bacteriile cu toxicitatea sa [13].

Mai mulți cercetători anteriori au sintetizat nanofolii GO încărcate cu Ag NPs folosind metodele pulsate [14], microunde [15] și sonicare [16]. Similar cu sinteza Ag NPs, pregătirea GO-Ag NPs are nevoie, de asemenea, de un stabilizator și agenți reducători. Studiile anterioare au raportat unele defecte ale GO-Ag NPs, cum ar fi agregarea sau formarea de NPs neomogene și dimensiunea mare a Ag NPs. De exemplu, Das și colab. au pregătit NP-urile GO-Ag folosind citrat de sodiu și borohidrură de sodiu (NaBH4) ca agenți de limitare și reducere [17]. Haider și colab. s-a preparat oxid de grafen redus (rGO) dopat cu Ag NPs folosind o secvență de AgNO3 în NaBH4 apos ca agent tensioactiv [18]. Bao și colab. au raportat compozite GO-Ag NPs folosind AgNO3 ca precursor de sare, hidrochinonă ca agent reducător și citrat ca stabilizator [19]. Cu toate acestea, dimensiunea Ag NPs a fost încă mare (variind de la 20 la 80 nm) și împrăștiată în mod eterogen pe straturile GO. Mai mult, dezavantajul major al metodelor raportate anterior demonstrează dificultatea de a controla dimensiunea și distribuția, limitând studiul sistematic asupra efectului antibacterian [20].

O metodă nouă pentru sinteza GO-Ag NPs este utilizarea NaSH ca un linker încrucișat eficient prin formarea GO - SH [21]. Avantajul legării grupărilor tiol (–SH) [22] se datorează faptului că este considerat un agent de reticulare reactiv și îmbunătățește caracteristicile de compatibilitate biologică ale materialelor [23]. Mai mult, GO funcționalizat cu tiol ar putea îmbunătăți suspensia stabilă a particulelor în soluție pentru a preveni aglomerarea de dimensiuni. În plus, GO - SH este un intermediar pentru a lega Ag NP-urile orientate de grupurile funcționale ale GO, permițând un control precis al dimensiunii particulelor. În acest studiu, obiectivele noastre sunt să producem câteva NP-uri Ag de dimensiuni nanometrice pe GO fără a utiliza agenți reducători și stabilizatori suplimentari și, de asemenea, să investigăm raportul optim NP Ag și GO pentru o activitate antibacteriană ridicată.

În acest studiu, am fabricat nanocompozite GO-Ag altoite de tiol pentru a investiga activitățile lor antibacteriene asupra bacteriilor Staphylococcus aureus (S.A., Gram-pozitive) și Pseudomonas aeruginosa (P.A., Gram-negative). Diferite încărcături de câteva nanoparticule Ag de dimensiuni nanometrice (Figura 1 a. Imaginea corespunzătoare a microscopului electronic de transmisie indică faptul că GO avea o structură fulgioasă, netedă și asemănătoare hârtiei (Figura 2 c). Dimensiunea medie a GO a fost măsurată folosind tehnică de împrăștiere dinamică a luminii (DLS, Zetasizer, 2000 HAS, Malvern, Worcestershire, Marea Britanie). Diametrul mediu hidrodinamic (AHD) al GO a fost înregistrat la 962,83 ± 141 nm (n = 3). ) la 2θ de 11,7 ° confirmă formarea GO (Figura 3 a) [8,24] Spațierea d calculată a GO este de 0,76 nm.

prepararea

Imaginile microscopului electronic cu scanare cu emisie de câmp (FESEM) aleA) oxid de grafen curat (GO); (b) tiol grefat oxid de grafen (GO - SH); și (c) GO-Ag 0,2 M compozite; Cartografierea FESEM a (d) GO-Ag 0,1 M; (e) GO-Ag 0,2 M; și (f) GO-Ag 0,25 M compozite. Culorile roșu, albastru și verde reprezintă distribuțiile elementare ale Ag, C și O.

(A) Imagini cu microscop electronic de transmisie (TEM) ale nanoparticulelor de argint curat (Ag NPs) și ale acestorab) distribuția mărimii particulelor fără a fi altoit pe GO; (c) GO curat; (d) GO-Ag 0,1 M; (e) GO-Ag 0,25 M; (f) GO-Ag 0,2 M compozite; și (g) distribuțiile dimensiunii particulelor Ag ale compozitelor GO-Ag 0,2 M.

(A) Graficul XRD al GO, GO - SH, GO-Ag 0,1 M, GO-Ag 0,2 M; și GO-Ag 0,25 M compozite și (b) Analiza Raman a compozitelor grafite, GO și GO-Ag 0,2 M.

Analiza FTIR a (A) GO, GO - SH, GO-Ag 0,1 M, GO-Ag 0,2 M și GO-Ag 0,25 M compozite; (b) Scanări complete XPS de compozite GO, GO - SH și GO-Ag 0,2 M; și (c) Spectrele de deconvoluție C 1s ale compozitelor GO, GO - SH și GO-Ag 0,2 M.

Analiza UV-vizibilă a GO curat a fost prezentată în Figura 5a. Vârfurile tipice la aproximativ 230 și 310 nm corespund tranziției electronice π-π * a legăturilor aromatice C = C și n-π * tranziției electronice a legăturilor C = O [26]. Încărcarea de suprafață a GO a variat între 28,2 și 30,3 mV, indicând stabilitatea moderată a nanoșilor GO așa cum se arată în Figura 5b [27]. În plus, a existat un răspuns negativ relativ liniar al potențialului zeta al GO, deoarece valoarea pH-ului crește de la 2 la 10. Acest fenomen este rezonabil datorită efectului ionizării grupărilor carboxilice și hidroxil care determină o creștere a valorii pH-ului.

(A) Spectre vizibile la UV de GO curat, nanoparticule de Ag curate, GO - SH și GO-Ag 0,2 M compozit; (b) profiluri potențiale zeta ale compozitului curat GO și GO-Ag 0,2 M.

Nanoshe-urile GO curate au fost degradate în atmosfera aerului, așa cum este indicat în analiza gravimetrică termică (TGA), așa cum se arată în Figura 6. GO a prezentat trei etape de slăbire. Primul vârf a scăzut de la 25 la 100 ° C datorită îndepărtării apei din umezeala rămasă. Alte pierderi de greutate vizibile din regiune au fost de la 150 la 250 ° C și de la 400 la 500 ° C. Fostul vârf în jurul valorii de 180 ° C este atribuit îndepărtării grupelor funcționale de oxigen de pe suprafața GO, în timp ce celălalt vârf ascuțit în jurul valorii de 450 ° C este legat de arderea foilor de grafen care constituie carbon [28]. GO a fost complet degradat în fluxul de aer la o temperatură de 490 ° C.

Pierderea în greutate TGA a compozitelor GO, GO-Ag 0,1 M, GO-Ag 0,2 M și GO-Ag 0,25 M.

2.2. Proprietățile structurale și morfologice ale particulelor GO - SH

Când NaSH a reacționat cu GO, nanosheets au avut tendința de a fi sparte în multe fragmente dezorientate în timpul sonicării și a procesului de agitare. Eșantionul GO - SH are, de asemenea, o structură asemănătoare unei foi cu aglomerări așa cum se arată în imaginile microscopului electronic cu scanare cu emisie de câmp (FESEM) (Figura 1 b). Spectrul de difracție cu raze X (XRD) al probei GO - SH arată vârful lărgit la 2θ = 25 ° în Figura 3a, care indică contribuția grupului –SH [29]. Acest lucru a fost clar confirmat de vârfurile caracteristice FTIR la 1200, 620 și 838 cm -1 care corespund întinderii C = S, vârfului slab S - S și, respectiv, legătura secundară a grupării tiol C - SH îndoire (Figura 4 a) [30]. Spectrele vizibile la UV au arătat vârful evident de absorbanță în probele GO - SH la 267 nm, ceea ce a indicat tranziția excitată de grupările de tiol cu ​​capac la oxidul de grafen aromatic terminat [31] (Figura 5 a). În plus, vârful XPS la 1071 eV confirmă apariția ionilor de sodiu în timpul procesului de tiolare (Figura 4 b) [32]. Analiza XPS a arătat că s-au format mai multe grupuri O-C = O în eșantionul GO-SH decât GO (13,2% față de 10,1%, Tabelul 1). S-a raportat că componenta carbonat C1s (O - C = O) se suprapune cu carbonul accidental, crescând potențialul de ionizare, având în același timp vibrații puternice [33].

tabelul 1

Procentul compoziției de legare a sondajului cu spectroscopie fotoelectronică cu raze X (XPS).

Mostre: lipire de carbonC - CC - O/C - SC = OO = C - O
MERGE70.714.15.110.1
GO - SH70.112.24.613.2
GO-Ag 0,2 M72,511.24.611.7

2.3. Proprietăți structurale și morfologice ale compozitelor GO-Ag

masa 2

Compoziția elementară de spectroscopie cu raze X (EDX) dispersivă a energiei (la%) pentru Ag NP atașate pe straturile de foi GO.

Mostre COAg
GO-Ag 0,1 M49.218.332.4
GO-Ag 0,2 M38,517.144.3
GO-Ag 0,25 M21.516.562.0

Analiza de scanare completă XPS (Figura 4 b) a arătat că vârful ascuțit la 368 eV a confirmat că elementul Ag a fost atribuit probei GO-Ag. Curba C - C a fost relativ crescută, în timp ce legătura O - C = O a fost, de asemenea, parțial redusă (de la 13,2% în GO - SH la 11,7%, Figura 4c și Tabelul 1) în timpul procesului de atașare a argintului [40]. Cu toate acestea, conținutul grupărilor funcționale carboxil a fost mai mare în compozitul GO-Ag decât în ​​proba GO.

Grupurile crescute de acid carboxilic din GO-Ag sunt atribuite valorilor potențiale zeta mai mici decât eșantionul GO (Figura 5 b). GO-Ag prezintă o sarcină negativă mai mare datorită ionizării mai multor grupe funcționale de suprafață (–SH), iar produsele au fost scufundate în soluție alcalină în timpul procesului de sinteză. Acest rezultat indică, de asemenea, că legătura chimică cu gruparea tiol a modificat potențialul inerent zeta de suprafață al nanoșilor GO, implicând o dispersie și o stabilitate mai ridicate în GO-Ag. Mai mult, valoarea potențială zeta a GO-Ag are mai puține variații și o sarcină mai negativă decât eșantionul GO. Acest rezultat a indicat faptul că GO-Ag este mai stabil decât GO.

TGA (Figura 6) a fost aplicat pentru a analiza pierderea în greutate la temperatura camerei până la 600 ° C pentru a estima cantitatea de Ag rămasă pe foile GO [41]. Conținutul de Ag a fost de 31% în GO-Ag 0,1 M, în timp ce procentele au fost de 43% și 65% care corespund probelor de GO-Ag 0,2 M și respectiv GO-Ag 0,25 M compozite (Figura 6).