Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Grafeenoxide in een composiet met zilveren nanodeeltjes vermindert de fibroblast- en endotheelcelcytotoxiciteit van een antibacterieel nanoplatform

Abstract

Antibacteriële oppervlakken bedekt met nanomaterialen, waaronder zilveren nanodeeltjes, worden beschouwd als effectieve alternatieve antimicrobiële middelen die kunnen worden gebruikt in plaats van antibiotica en chemische middelen. Rapporten over de mogelijke toxiciteit van deze materialen roepen echter vragen op over de veiligheid van hun gebruik in biomedische toepassingen. Het doel van dit onderzoek was om de cytotoxiciteit van menselijke cellen van met zilver nanodeeltjes gecoate polyurethaanfolies te verminderen door zilvernanodeeltjes te complexeren met grafeenoxide. De antimicrobiële activiteit van nanoplatforms gecoat met zilveren nanodeeltjes, grafeenoxide en het composiet van zilveren nanodeeltjes en grafeenoxide werd beoordeeld met Salmonella enteritidis . Cytotoxiciteit werd geanalyseerd door een analyse van de levensvatbaarheid en morfologie van menselijke fibroblasten, menselijke endotheelcellen van de navelstrengader (HUVEC's) en het chorioallantoïsmembraan van kippenembryo's. Daarnaast werd het syntheseniveau van inflammatoire eiwitten onderzocht voor fibroblasten gekweekt op verschillende nanoplatforms. Het nanoplatform gecoat met de zilveren nanodeeltjes en grafeenoxidecomposiet vertoonde de sterkste antibacteriële eigenschappen, hoewel nanoplatforms gecoat met alleen zilveren nanodeeltjes of grafeenoxide ook resulteerden in verminderde S. enteritidis groei. Bovendien vertoonde een nanoplatform gecoat met zilveren nanodeeltjes en grafeenoxidecomposiet beperkte immunologische stimulatie en significant verminderde cytotoxiciteit voor fibroblasten, HUVEC's en kippenembryo-chorioallantoïsmembraan in vergelijking met het nanoplatform dat alleen was gecoat met zilveren nanodeeltjes, vanwege de hogere stabiliteit van de nanomaterialen in de nanocomposiet.

Inleiding

Materialen met antibacteriële oppervlakken zijn op grote schaal onderzocht voor gebruik in de geneeskunde en de biomedische industrie [1]. Nanomaterialen worden beschouwd als effectieve alternatieve antimicrobiële middelen die kunnen worden gebruikt in plaats van antibiotica en chemische middelen [2]. Zilveren nanodeeltjes (AgNP's) worden het meest gebruikt vanwege hun antibacteriële eigenschappen [3]. Nanodeeltjes die antimicrobiële activiteit vertonen, waaronder AgNP's, vooral bij hogere concentraties, kunnen echter giftig zijn voor menselijke cellen en mogelijk de menselijke gezondheid aantasten [4, 5]. Daarom roept in de biomedische industrie de toepassing van materialen met oppervlakken die zijn gecoat met nanomaterialen vragen op over hun veiligheid en toxiciteit.

Een van de mogelijke manieren om de potentiële toxiciteit van nanomaterialen te minimaliseren, is door hun mobiliteit te beperken zonder hun antimicrobiële eigenschappen te veranderen. Stevig bevestigde nanomaterialen die worden gebruikt in antibacteriële oppervlakken die niet loskomen van het materiaal, verminderen hun toxiciteit voor menselijke cellen [6]. Een van de effectieve methoden om oppervlakken te coaten met nanodeeltjes is ultrasone technologie [7]. Ultrasone golven leiden tot structurele veranderingen in de nanomaterialen, wat resulteert in deagglomeratie of agglomeratie, afhankelijk van het nanomateriaal [8]. Ultrasone technologie kan ook worden gebruikt voor de synthese van nanocomposieten uit verschillende materialen, waaronder metaalionen en nanodeeltjes [9,10,11]. Sonicatie is gebruikt voor de assemblage van verschillende nanomaterialen, waaronder de decoratie van grafeenoxide (GO) vlokken met AgNP's en andere nanodeeltjes [12].

Het mechanisme van de antibacteriële activiteit van nanodeeltjes varieert tussen de verschillende soorten nanodeeltjes; de belangrijkste processen die verantwoordelijk zijn voor de antimicrobiële eigenschappen van nanodeeltjes zijn echter als volgt:directe interacties met de celcomponenten en indirecte processen, waaronder oxidatie van celcomponenten en verstoring van oxidatieve processen [3]. De antibacteriële activiteit van AgNP is het gevolg van de directe verstoring van het bacteriële celmembraan door AgNP's en de vrijgekomen Ag+-ionen, wat de synthese van reactieve zuurstofspecies (ROS) induceert en de ineenstorting van het plasmamembraanpotentieel, wat leidt tot de uitputting van intracellulair ATP [13 ,14,15]. GO kan cytotoxisch zijn voor bacteriële cellen vanwege ROS-synthese en directe celimmobilisatie op het GO-oppervlak [16, 17], veroorzaakt door de hoge adsorptiecapaciteiten van GO- en GO-nanocomposieten [18, 19].

De toxiciteit van nanodeeltjes is echter niet alleen waargenomen in bacteriële cellen. Over het algemeen zijn menselijke cellen minder kwetsbaar voor nanodeeltjes dan bacteriën vanwege hun grotere schaal en hun effectieve herstel- en verdedigingsmechanismen, maar cytotoxiciteit is waargenomen, vooral bij hoge concentraties. AgNP-toxiciteit in in vitro-onderzoeken komt voor in concentraties van een vergelijkbare orde van grootte, hoewel ze aanzienlijk kunnen variëren voor complexere verschillende biologische systemen of organismen [20]. De toxiciteit van AgNP's voor meercellige organismen is vaak lager vanwege hun structurele en fysiologische verschillen, zoals gespecialiseerde cellulaire weefsels, waaronder epitheelcellen [21]. GO biocompatibiliteit voor menselijke cellen hangt af van de concentratie en bladmorfologie. Bij hogere concentraties kan GO leiden tot plasmamembraanpenetratie en verhoogde synthese van ROS [22,23,24].

In onze eerdere onderzoeken hebben we aangetoond dat nanoplatforms die zijn samengesteld uit AgNP en GO (Ag-GO) nanocomposiet een hoge antimicrobiële efficiëntie hebben tegen bacteriën (Escherichia coli , Staphylococcus aureus en Staphylococcus epidermidis ) en pathogene gisten (Candida albicans ), wat verband hield met de verhoogde ROS-synthese en plasmamembraanperforatie [25]. Ag-GO vertoonde een hogere antibacteriële activiteit dan de AgNP- of GO-nanoplatforms, vanwege de gecombineerde activiteit van beide nanomaterialen. Hier veronderstelden we dat polyurethaanfolies gecoat met Ag-GO-nanocomposiet een lagere toxiciteit zouden hebben voor fibroblasten, humane navelstrengendotheelcellen (HUVEC's) en een alternatief in vivo model - chorioallantoïsmembraan van kippenembryo's - dan folies die alleen zijn gecoat met AgNP's.

Resultaten

AgNP's en GO vormden een nanocomposiet in hydrocolloïde

De transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) -analyse werd gebruikt om de morfologie van de nanomaterialen en hun interacties binnen de Ag-GO-composiet te evalueren (Fig. 1). AgNP's waren bolvormige nanodeeltjes met een gemiddelde grootte van ongeveer 55 nm. Bovendien toonden TEM-afbeeldingen de hechting van zilveren nanodeeltjes aan GO (figuur 1e). Deze waarnemingen werden verder bevestigd in de zeta-potentiaalanalyse. Het zeta-potentieel van Ag-GO gaf aan dat het hydrocolloïde onmiddellijk na sonicatie onstabiel was, maar gestabiliseerd na 24 h (zeta-potentiaal:respectievelijk -15,68 en -27,7 mV; tabel 1). Daarentegen was het AgNP-hydrocolloïde onstabiel zowel onmiddellijk na sonicatie als na 24 h, terwijl het GO-hydrocolloïde vrij stabiel was en niet significant veranderde na 24 h (zeta-potentiaal:respectievelijk -31,11 mV en -28,42 mV). Bovendien toonde analyse van dynamische lichtverstrooiing (DLS) aan dat de Z -gemiddelde grootte van AgNP's was 93,1 nm, GO was 1485,0 nm en Ag-GO was 1157,0 nm. De AgNP-grootteverdeling gaf drie pieken aan die verband hielden met agglomeraatvorming, terwijl de GO- en Ag-GO-grootteverdeling één piek aangaf (Fig. 1b, d, f).

Nanodeeltjesmorfologie en grootteverdeling. Transmissie-elektronenmicroscopiebeelden van a zilveren nanodeeltjes, c grafeenoxide en e zilver nanodeeltjes en grafeenoxide composiet. Grootteverdeling van b zilveren nanodeeltjes, d grafeenoxide en f zilveren nanodeeltjes en grafeenoxide composiet

Raman-spectra en Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FT-IR) werden gebruikt om structurele kenmerken van GO te karakteriseren (figuur 2). Figuur 2a toont deconvolutie van de D, G en D 'van GO. De positie van de D-band is 1347 cm − 1 en de G-band 1578 cm − 1 ; de ID/IG-verhouding is 1,34. De FT-IR-analyse onthulde een brede piek waargenomen bij ~ 3500 cm − 1 , dat voornamelijk wordt toegewezen aan water- en hydroxylgroepen. De piek rond 1600 cm − 1 wordt toegewezen aan C =C-bindingen die aanwezig zijn in grafietkoolstof. Andere pieken die zijn waargenomen op het FT-IR-spectrum laten zien dat GO rijk is aan groepen die C=O-bindingen bevatten (voornamelijk carboxylgroepen), pieken rond 1720 cm − 1 en 915 cm − 1 , epoxy (C–O–C) met de zichtbare piek rond 1200 cm − 1 , en C–H-bindingen (piek rond 2800 cm − 1 ).

Analyse van structurele kenmerken van grafeenoxide. een Raman-spectrum van grafeenoxide met voorgestelde deconvolutie van de D, G en D '. b Fourier-transformatie infraroodspectroscopie (ATR, verzwakte totale reflectie) spectrum van grafeenoxide met toewijzing van functionele groepen

AgNP-, GO- en Ag-GO-gecoate folies Verminderd Salmonella enteritidis Groei

De antibacteriële activiteit van de GO-, AgNP- en Ag-GO-nanoplatforms werd getest met S. enteritidis . De incubatie van bacteriën op folies bedekt met nanomaterialen bij 37 ° C gedurende 24 ° C resulteerde in verminderde groei (Fig. 3). De sterkste S. enteritidis groeiremming werd waargenomen op het Ag-GO-nanoplatform. Zowel de AgNP- als de GO-nanoplatforms resulteerden echter ook in een verlaagde S. enteritidis groei. Een vergelijking van de scanning-elektronenmicroscoop (SEM)-beelden van bacteriën die op het Ag-GO-nanoplatform waren geïncubeerd met de controlegroep toonde een verminderd aantal S. enteritidis cellen. Bovendien waren bacteriën gehecht aan de nanoplatforms en vertoonden ze morfologische veranderingen, wat wijst op de verstoring van hun celmembraan.

Nanoplatforms gecoat met zilveren nanodeeltjes en grafeenoxide verminderden de levensvatbaarheid van S. enteritidis. Scanning-elektronenmicroscoopbeelden van a controle S. enteritidis bacteriën en b S. enteritidis geïncubeerd op een met zilver nanodeeltjes en grafeenoxide gecoat nanoplatform, na incubatie bij 37 ° C gedurende 24 ° C. c Levensvatbaarheid van S. enteritidis na incubatie op het nanoplatform gedurende 24 h werd beoordeeld met een PrestoBlue-assay. Waarden worden uitgedrukt als gemiddelde ± standaarddeviatie (n = 3, elk experiment in drievoud). Statistische significantie wordt aangegeven door verschillende superscripts (one-way ANOVA; P < 0.05). Afkortingen:C, controlegroep (folie zonder nanodeeltjes); AgNP's, nanoplatform gecoat met zilveren nanodeeltjes; GO, nanoplatform gecoat met grafeenoxide; Ag-GO, nanoplatform gecoat met composiet van grafeenoxide en zilveren nanodeeltjes; RU, relatieve eenheden

AgNP-toxiciteit wordt geremd door GO in een Ag-GO composiet-gecoat nanoplatform

De toxiciteit van nanoplatforms werd onderzocht door de directe incubatie van fibroblasten en HUVEC's gedurende 24 h op nanoplatforms en ongecoate folies (Fig. 4). Er waren significante verschillen tussen de levensvatbaarheid van zowel fibroblasten als HUVEC's op de verschillende nanoplatforms (P = 0.0003 en P = 0,0156, dienovereenkomstig). GO-nanoplatforms veranderden de levensvatbaarheid van fibroblasten niet, vergeleken met de levensvatbaarheid van cellen die op ongecoate folies waren geïncubeerd. Evenzo was er geen significante impact van GO op de levensvatbaarheid van HUVEC's. Coating met AgNP's resulteerde echter in een afname van de levensvatbaarheid van zowel fibroblasten als HUVEC's met 40-50%. De levensvatbaarheid van fibroblasten en HUVEC's veranderde niet toen ze werden geïncubeerd op nanoplatforms die waren gecoat met Ag-GO-nanocomposiet, wat de remming van AgNP-toxiciteit aantoont. Celmorfologie op ongecoate folies vertoonde de typische morfologie van fibroblasten gekweekt in 2D-kweekomstandigheden (figuur 4a). Cellen geïncubeerd op AgNP-gecoate folie vertoonden een intensieve aggregatie van cellen. Celmorfologie op de GO- en Ag-GO-gecoate nanoplatforms toonde een vermindering van agglomeratieneigingen en celspreiding.

Nanoplatforms gecoat met grafeenoxide verminderden de cytotoxiciteit van zilveren nanodeeltjes. Morfologie van fibroblasten gekweekt op a niet-gecoate nanoplatforms, b zilveren nanodeeltjes-gecoate nanoplatforms, c met grafeenoxide gecoate nanoplatforms, d zilveren nanodeeltjes en grafeenoxide composiet-gecoate nanoplatforms. Morfologie werd beoordeeld door lichtmicroscopie met behulp van fasecontrast met een vergroting van ×-200. Fibroblast (e ) en HUVEC (f ) levensvatbaarheid na 24 uur incubatie op de nanoplatforms werd bepaald met behulp van een PrestoBlue-assay. Waarden worden uitgedrukt als gemiddelde ± standaarddeviatie (n = 3, elk experiment in drievoud). Statistische significantie wordt aangegeven door verschillende superscripts (one-way ANOVA; P < 0.05). Afkortingen:HUVEC's, humane endotheelcellen van de navelstrengader; C, controlegroep (folie zonder nanodeeltjes); AgNP's, nanoplatform gecoat met zilveren nanodeeltjes; GO, nanoplatform gecoat met grafeenoxide; Ag-GO, nanoplatform gecoat met een composiet van grafeenoxide en zilveren nanodeeltjes; RU, relatieve eenheden

De toxiciteit van het nanoplatform werd ook geëvalueerd met behulp van een chorioallantoïsmembraan van kippenembryo's (Fig. 5). Nanoplatforms werden direct op een chorioallantoïsch membraan geïncubeerd en de morfologie op de plaats van contact werd na 48 uur onderzocht. AgNP's veroorzaakten morfologische veranderingen in het chorioallantoïsmembraan, terwijl in het geval van de GO- en Ag-GO-nanoplatforms de morfologie vergelijkbaar was met die van de controlegroep (figuur 5b). Het chorioallantoïsmembraan vertoonde na incubatie op het AgNP-nanoplatform een ​​verminderd aantal capillaire vaten, wat wijst op directe toxiciteit voor de endotheel- en mesenchymcellen.

Grafeenoxide verminderde de morfologische veranderingen van het chorioallantoïsmembraan veroorzaakt door zilveren nanodeeltjes. De morfologie van het chorioallantoïsmembraan van kippenembryo's na 48  uur incubatie met de nanoplatforms. een Controlegroep (folie zonder nanodeeltjes), b nanoplatform gecoat met zilveren nanodeeltjes, c nanoplatform gecoat met grafeenoxide, d nanoplatform gecoat met composiet van grafeenoxide en zilveren nanodeeltjes

AgNP's verminderden de afgifte van interleukines 6 en 8

Een antilichaamarray werd gebruikt om de celmedia-inhoud te analyseren van 40 inflammatoire eiwitten die zijn gesynthetiseerd door fibroblasten (Fig. 6). De belangrijkste ontstekingseiwitten die door fibroblasten worden afgegeven, waren interleukine 8 (IL-8; Fig. 6, stippen:E5, F5) en interleukine 6 (IL-6; Fig. 6, stippen:E8, F8). De AgNP- en Ag-GO-nanoplatforms verlaagden het afgifteniveau van IL-8 aanzienlijk, terwijl het GO-nanoplatform niet zo'n effect had. Bovendien verlaagden zowel de GO- als Ag-GO-nanoplatforms het afgifteniveau van de granulocyt-macrofaagkoloniestimulerende factor (GM-CSF; Fig. 6, stippen:G5, H5). De GO- en Ag-GO-nanoplatforms leidden ook tot het verhoogde afgifteniveau van tumornecrosefactor-bèta (TNF-β; Fig. 6, punten:A9, B9). Interessant is dat AgNP-, GO- en Ag-GO-nanoplatforms het afgifteniveau van IL-6 significant verlaagden. Het niveau van afgifte van de andere geanalyseerde eiwitten werd niet gewijzigd. Een matrixkaart met een lijst van alle geanalyseerde cytokinen is opgenomen in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1.

Antilichaamarray-analyse van de inflammatoire cytokine-afgifte van fibroblasten na 24 uur incubatie. een Controlegroep (folie zonder nanodeeltjes), b nanoplatform gecoat met zilveren nanodeeltjes, c nanoplatform gecoat met grafeenoxide, d Ag-GO nanoplatform gecoat met composiet van grafeenoxide en zilveren nanodeeltjes. De AgNP- en Ag-GO-nanoplatforms verlaagden het afgifteniveau van IL-8 (stippen:E5, F5). Zowel de GO- als Ag-GO-nanoplatforms verminderden de synthese van GM-CSF (stippen:G5, H5). Bovendien leidden de GO- en Ag-GO-nanoplatforms tot de verhoogde synthese van TNF-β (stippen:A9, B9). De AgNP-, GO- en Ag-GO-nanoplatforms verlaagden het afgifteniveau van IL-6 (stippen:E8, F8). Een volledige matrixkaart is beschikbaar in Aanvullend bestand 1

Discussie

In biomedische toepassingen is de veiligheid van nanomaterialen die worden gebruikt in antimicrobiële materialen net zo belangrijk als hun efficiëntie bij het doden van bacteriën. In deze studie hebben we aangetoond dat coatingmaterialen met GO de toxiciteit van nanomaterialen efficiënt kunnen verminderen. Polyurethaanfolie gecoat met AgNP's en GO (Ag-GO) verhoogde niet alleen hun antimicrobiële eigenschappen, maar verminderde ook hun toxiciteit in menselijke cellen.

Raman-spectroscopie werd gebruikt om structurele kenmerken van grafeenoxide te analyseren. De G-band in de Raman-spectra komt overeen met sp 2 gehybridiseerd materiaal op koolstofbasis [26]. De D-piek is gerelateerd aan defect of roosterstoornis als gevolg van de binding van zuurstof-functionele groep [27]. De intensiteit van de D-band hangt samen met de grootte van de sp 2 in-plane domeinen [26]. De extra banden D' komen voort uit de defecten die aanwezig zijn in de grafietstructuur van het koolstofmateriaal. ID/IG-verhouding (berekend uit de intensiteit van D- en G-banden) kan worden gebruikt om de wanorde van de grafietstructuur in koolstofmaterialen te karakteriseren. Zoals aangetoond, heeft GO een zeer ongeordende structuur vanwege de vele functionele groepen in de structuur gevormd tijdens de oxidatie van grafietpoeder [28].

Het FT-IR-spectrum van grafeenoxide verzameld in de ATR-modus onthulde dat GO veel functionele groepen in de structuur heeft, waaronder carboxyl- en epoxygroepen, pieken rond 1720 cm − 1 en 915 cm − 1 , epoxy (C–O–C) met de zichtbare piek rond 1200 cm − 1 , en C–H-bindingen (piek rond 2800 cm − 1 ). De FT-IR-analyse komt goed overeen met XPS-metingen die zijn uitgevoerd voor GO, waarbij ook hydroxyl-, carboxyl-, epoxy- en carbonylgroepen werden geïdentificeerd [29].

Het coaten van nanomaterialen werd uitgevoerd met ultrasone technologieën, waarvan is bevestigd dat het een effectieve methode is om verschillende materialen te coaten met antibacteriële en schimmeldodende stoffen, waaronder AgNP's [30, 31]. Ultrasone golven maken gebruik van cavitatieverschijnselen door cavitatiebellen te genereren en in te klappen, waardoor hoge energie en druk wordt geproduceerd [32]. Nanomaterialen die worden versneld tot hoge snelheden botsen met het gecoate materiaal en worden op het oppervlak afgezet [33]. De effectiviteit van depositie van nanomaterialen kan echter niet alleen worden vergroot door een goede coatingmethode toe te passen, maar ook door composieten te maken met nanomaterialen die gemakkelijker aan het oppervlak kunnen worden gehecht. GO is een gunstig nanomateriaal voor het maken van stabiele composieten met zowel verschillende nanomaterialen als oppervlakken. Vanwege zijn unieke structuur, met koolstofatomen in een hexagonaal patroon met talrijke zuurstofbevattende functionele groepen in de buurt, waaronder carboxyl- en hydroxylgroepen, is GO vatbaar voor het vormen van covalente bindingen of elektrostatische interacties [34]. Gewoonlijk worden GO-nanodeeltjescomposieten gesynthetiseerd door de aanhechting van metaalionen of metalen nanodeeltjes aan GO-oppervlakken door middel van elektrostatische of covalente interacties. Bovendien wordt de reductie van metaalionen en/of GO uitgevoerd om covalente bindingen te vormen [35]. Ag-GO-composieten zijn gemaakt met behulp van ultrasone trillingen door de in situ reductie van Ag + [36, 37], evenals door de afzetting van AgNP's [12]. In ons vorige rapport toonden we aan dat ultrasone methoden kunnen worden gebruikt om Ag-GO-gecoate nanoplatforms op polyurethaanfolies te synthetiseren [25]. Het ultrasoonapparaat leidde echter niet alleen tot het coaten van polyurethaanfolies met nanomaterialen, maar ook tot de vorming van een Ag-GO-composiet. De vorming van het Ag-GO-composiet, zelfs vóór het coaten van de folies, zou kunnen hebben geleid tot een grotere stabiliteit van AgNP's na het coaten.

In onze onderzoeken werden fibroblasten en HUVEC's gebruikt voor cytotoxiciteitsonderzoeken gevolgd door analyse van het chorioallantoïsmembraan van kippenembryo's. Huidfibroblasten worden beschouwd als een goed model voor huidirritatiestudies in vergelijking met in vivo analyse [38], terwijl endotheelcellen, waaronder HUVEC-cytotoxiciteit, vaak worden bestudeerd vanwege waarschijnlijk direct contact van nanodeeltjes in biomedische toepassingen en gevoeligheid van deze cellen voor nanodeeltjes [ 39, 40]. Het chorioallantoïsmembraan van kippenembryo's is een alternatief in vivo-model voor knaagdiermodellen voor verschillende toxicologische onderzoeken, waaronder materiaaltoxicologie en acute toxicologische onderzoeken [41, 42].

Fibroblasten en HUVEC's hadden een hogere levensvatbaarheid wanneer ze op Ag-GO werden gekweekt dan AgNP-gecoate nanoplatforms. Bovendien veroorzaakte het AgNP-nanoplatform morfologische veranderingen in het chorioallantoïsmembraan, terwijl in het geval van de GO- en Ag-GO-nanoplatforms de celmorfologie vergelijkbaar was met de controlegroep. De afname van de toxiciteit op het Ag-GO-nanoplatform zou het gevolg kunnen zijn van de gecombineerde effecten van een hogere stabiliteit van AgNP's in het complex met GO en een betere afzetting van AgNP's in het nanoplatform. De toxiciteit van dierlijke cellen is vaak ernstiger nadat nanodeeltjes de cel zijn binnengekomen door directe penetratie of endocytose [43]. Endocytose van nanodeeltjes is afhankelijk van de grootte en vorm. Grotere deeltjes en composieten worden in mindere mate opgenomen dan deeltjes die ongeveer 45 nm groot zijn [44]. De meest opvallende relatie tussen endocytose en vorm of grootte van nanomaterialen is kenmerkend voor nanobuisjes met koolstofwand. Nanobuisjes met een lengte van minder dan 1 m dringen effectief het plasmamembraan binnen via directe diffusie, terwijl fagocytose- of endocytoseroutes langere nanobuisjes en agglomeraten internaliseren [45]. Onlangs werd aangetoond dat het Ag-GO-nanocomposiet wordt geïnternaliseerd door J774-macrofagen, ongeveer 60% minder dan AgNP's. Omdat Ag-GO echter meer ROS induceerde, was de algehele toxiciteit voor de cellen hoger [46]. Bovendien laat kinetische analyse van vormafhankelijke internalisatie van nanodeeltjes zien dat sferische nanodeeltjes over het algemeen veel sneller worden geïnternaliseerd dan platte deeltjes [47]. Bovendien is de toxiciteit van nanodeeltjes voor menselijke cellen meestal afhankelijk van de grootte, waarbij kleinere deeltjes sterkere cytotoxische eigenschappen vertonen. In onderzoeken naar de grootte-afhankelijke cytotoxiciteit van AgNP's voor RAW, hadden 264,7 macrofagen en L929-fibroblast-nanodeeltjes een lagere levensvatbaarheid na behandeling met 20-nm AgNP's dan na behandeling met grotere nanodeeltjes (80, 113 nm) [13]. Daarom kunnen de toegenomen grootte van Ag-GO-composieten en het verminderde vermogen van cellen om nanodeeltjes op te nemen als gevolg van stabiele afzetting op het oppervlak de reden zijn voor de waargenomen hogere levensvatbaarheid van zowel HUVEC's als fibroblasten gekweekt op het Ag-GO-nanoplatform.

De AgNP- en Ag-GO-nanoplatforms verlaagden het afgifteniveau van IL-8 door fibroblasten aanzienlijk. De nanoplatforms GO en Ag-GO leidden tot een verhoogde afgifte van TNF-β. Bovendien verminderden AgNP-, GO- en Ag-GO-nanoplatforms de afgifte van IL-6. Interessant is dat veranderingen in de synthese van pro-inflammatoire eiwitten door fibroblasten gerelateerd waren aan de incubatie van cellen op nanoplatforms bedekt met AgNP's of GO. De syntheseniveaus van cellen geïncubeerd op Ag-GO verschilden niet van die geïncubeerd op nanoplatforms die waren gecoat met slechts één van deze nanomaterialen, wat suggereert dat de biologische activiteit niet veranderde na de synthese van het composiet. Fibroblasten zijn belangrijk bij ontstekings- en hermodelleringsprocessen door ontstekingsreacties op gang te brengen en te versnellen bij de overgang van acute ontsteking naar weefselherstel [48, 49]. Daarom is de analyse van fibroblastafscheidingen van inflammatoire cytokines belangrijk om de immunologische respons op nanoplatforms te voorspellen. Zowel IL-6 als IL-8 zijn een van de belangrijkste inflammatoire cytokinen die, na synthese door fibroblasten, leiden tot de activering van de immunologische respons [50, 51]. Het humane epidermale keratinocytsyntheseniveau van IL-6 neemt af na behandeling met AgNP's [52]. Evenzo werd de remming van IL-6-afgifte door AgNP's aangetoond in Jurcat-cellen en omvat deze de MAPK-route. AgNP's verlagen ook de syntheseniveaus van tumornecrosefactor-alfa (TNF-α) [53]. TNF-α en, qua structuur en functie zeer vergelijkbaar, TNF-β zijn inflammatoire cytokinen die belangrijk zijn tijdens de acute ontstekingsfase. Hoewel immuuncellen voornamelijk verantwoordelijk zijn voor de afgifte van die eiwitten tijdens de acute fase van ontsteking, zijn fibroblasten en verschillende cellen betrokken bij de synthese van inflammatoire cytokines tijdens het vroege proces van wondgenezing [54]. Activiteit om TNF-α te induceren na behandeling met GO werd aangetoond met behulp van RAW264.7-macrofagen [55], wat wijst op immunologische stimulatie. In onze onderzoeken waren de afgifteniveaus van de meeste geanalyseerde pro-inflammatoire eiwitten echter niet veranderd nadat de cellen waren gekweekt op de GO- en Ag-GO-nanoplatforms. Daarom suggereren deze analyses dat zowel de GO- als Ag-GO-nanoplatforms een goede biocompatibiliteit hebben en niet zouden moeten leiden tot sterke immunologische reacties.

Conclusies

Concluderend laten de gepresenteerde resultaten zien dat nanoplatforms gecoat met een Ag-GO-composiet sterkere groeiremming van S hebben laten zien. enteritidis dan AgNP- en GO-gecoate nanoplatforms. Bovendien verminderde Ag-GO-composiet de cytotoxiciteit naar fibroblasten, HUVEC's en het chorioallantoïsmembraan van kippenembryo's aanzienlijk, in vergelijking met nanoplatforms die zijn gecoat met AgNP's. De levensvatbaarheid van fibroblasten en HUVEC's veranderde niet toen ze werden geïncubeerd op nanoplatforms die waren gecoat met Ag-GO-nanocomposiet, wat de remming van AgNP-toxiciteit aantoont. Deze resultaten, samen met een lage immunologische stimulatie, suggereren dat de GO kan worden gebruikt voor het verminderen van cytotoxiciteit van verschillende nanomaterialen in nanocomposieten. Bovendien suggereren de resultaten dat het Ag-GO-nanoplatform kan worden overwogen voor gebruik in biomedische toepassingen. Er zijn echter aanvullende onderzoeken nodig om het Ag-GO-nanoplatform te evalueren voor specifieke toepassingen, waaronder wondverbanden.

Materialen en methoden

Voorbereiding en karakterisering van nanoplatforms gecoat met nanomaterialen

Nanoplatforms gemaakt van met nanodeeltjes gecoate polyurethaanfolies werden bereid zoals eerder beschreven [25]. Vierkante polyurethaanfolies (15 × 15 mm, 0,05 mm dik) werden bedekt met suspensies van AgNP's (HydroSilver1000, Amepox, Łódź, Polen) gesynthetiseerd door chemische reductiereactie in aanwezigheid van polyvinylalcohol ontwikkeld door Amepox en/of GO gesynthetiseerd door gewijzigde Hummers' methode. Tien gram grafietpoeder werd gemengd met 230  ml geconcentreerd zwavelzuur (98%) (Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, VS) bij een temperatuur onder 10 °C. Vervolgens werd 4,7 g natriumnitraat (Sigma-Aldrich) en 30  g kaliumpermanganaat (Sigma-Aldrich) aan het grafietmengsel toegevoegd, terwijl de temperatuur onder de 10 °C bleef. Vervolgens werd het mengsel verwarmd tot 30°C en 2 uur geroerd. Vervolgens werd 100 ml water toegevoegd en werd het mengsel behandeld met 10 ml waterstofperoxide. GO werd gezuiverd door filtratie en gewassen met gedeïoniseerd water totdat de pH van het filtraat 6,5 bereikte. Suspensies van GO, AgNP's en de samenstelling van AgNP's en GO (Ag-GO) werden bereid in gedeïoniseerd water. Tijdens het coaten waren de concentraties van nanomaterialen als volgt:GO, 200 mg/l; AgNP's, 100 mg/l; Ag-GO, 200 mg/l; en AgNP's, 100 mg/l. Nanodeeltjescoating werd uitgevoerd met behulp van een ultrasone hoorn (Ti-hoorn, Ø13 mm, 60% efficiëntie, 20 kHz; Sonics &Materials, Inc., Newtown, CT, VS) bij een temperatuur van 30 ± 1 °C. De afgedekte monsters werden in gedeïoniseerd water gespoeld en onder steriele omstandigheden gedroogd. Karakterisering van nanoplatforms met een scanning-elektronenmicroscoop (SEM), atomaire krachtmicroscoop (AFM) en laterale krachtmicroscoop (LFM) is eerder gerapporteerd, waarbij nanoplatforms bijna volledig bedekt zijn met nanomaterialen [25].

De nanomaterialen die werden gebruikt om de nanoplatforms te verkrijgen, werden afgebeeld met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM). TEM-beelden werden verkregen met behulp van een JEM-1220-microscoop (JEOL, Tokyo, Japan) bij 80 kV met een Morada 11-megapixelcamera (Olympus Corporation, Tokyo, Japan). Monsters werden bereid door druppeltjes hydrocolloïden op met formvar gecoate koperen roosters (Agar Scientific, Stansted, VK) te plaatsen, die vóór waarnemingen aan de lucht mochten drogen.

Raman-spectra werden verzameld met behulp van een Renishaw inVia-spectrometer met een 532 nm laserbron (Wotton-under-Edge, VK). Om verwarming van het monster te voorkomen, werd het laservermogen laag gehouden (0,3 mW, gekalibreerd op het monster). De Raman-mappingmodus werd gebruikt met een scangebied van ongeveer 10  ×  10 μm, met 25 spectra). Elk spectrum bestaat uit twee hoofdbanden, een G-band (~ 1578 cm − 1 ) en D-band (~ 1347 cm − 1 ), werd aangepast met behulp van de Lorentz-lijnvorm. FT-IR-metingen werden uitgevoerd met behulp van een Nicolet iS10-spectrometer (Thermo Fisher Scientific, Waltham, VS) in verzwakte totale reflectiemodus op een diamantkristal. Grafeenoxidesuspensie werd bij kamertemperatuur op het polyethyleenoppervlak gedroogd om GO-dunne folie te creëren. Het spectrum werd verzameld in het bereik van 400–4000 cm − 1 .

Zeta potential measurements of GO (20 mg/l), AgNPs (10 mg/l) and Ag-GO (GO 20 mg/l and AgNPs 10 mg/l) were carried out with a Nano-ZS90 Zetasizer (Malvern Instruments, Malvern, UK) at 25 °C, using the Smoluchowski approximation. Nanomaterials were sonicated for 30 min and zeta potential was immediately measured. Subsequently, nanomaterials were left for 24 h at room temperature and the zeta potential was measured again. Each measurement was repeated at least seven times after 60 s of stabilisation at 25 °C.

The hydrodynamic diameter of nanoparticles in water and their size distribution were measured with dynamic light scattering (DLS) using a Nano-ZS90 Zetasizer (Malvern). Similar to for the zeta potential analysis, GO (20 mg/l), AgNPs (10 mg/l) and Ag-GO (GO 20 mg/l and AgNPs 10 mg/l) were sonicated for 30 min and left for 24 h at room temperature. Each sample was measured at least seven times at 25 °C.

Bacterial Cultivation

Salmonella enteritidis subspecies enterica serovar Enteritidis (ATCC 13076) was obtained from LGC Standards (Łomianki, Poland). The bacteria were grown on tryptic soy agar (Merck Millipore, Darmstadt, Germany). The bacteria, grown on agar plates, were harvested by gently washing the plates with sterile distilled saline solution. To calculate the number of bacteria in the cell suspension, the optical density of the suspensions at 600 nm (OD600) was measured using a spectrophotometer (Helios Epsilon, Unicam, Milwaukee, WI, USA). A calibration curve was prepared by performing serial tenfold dilutions of bacterial suspensions of a known optical density, up to 10 − 5 . After 24 h of incubation at 37 °C, the number of formed colonies was enumerated and the number of colony-forming units (CFU) of the original bacterial suspension was calculated.

Bacteria Viability Assay

Viability was evaluated using a PrestoBlue Cell Viability Assay (Thermo Fisher Scientific). Bacteria were cultured onto foils coated with GO, AgNPs and Ag-GO, located on inserts inserted into six-well plates (200 μl MH broth with 5 × 10 3  CFU per foil) and incubated for 24 h. Subsequently, 90 μl of each sample was transferred to 96-well plates and 10 μl of PrestoBlue reagent was added to each well and incubated for an additional 2 h at 37 °C. The optical density of each well was recorded at 570 nm using a microplate reader (Infinite M200, Tecan, Durham, NC, USA). Bacteria viability was expressed as the relative value after substitution of the absorbance from the blank samples. Experiments were repeated three times.

Scanning Electron Microscopy Analysis

Bacteria were incubated on foils with Ag-GO and a sterile cover glass. Bacteria cultures (100 μl, 10 6  CFU/ml) were incubated on foils and a cover glass for 24 h at 37 °C. All samples were dried and covered with gold. Cells were fixed with 2.5% glutaraldehyde in phosphate-buffered saline (PBS, pH 7.2) and contrasted with 1% osmium tetroxide (Sigma-Aldrich) and 1% carbohydrazide (Sigma-Aldrich). Subsequently, cells were dehydrated in increasing concentrations of hexylene glycol (Sigma-Aldrich). Drying was performed using a Polaron CPD 7501 critical point dryer (Quorum Technologies, Laughton, UK). Finally, the samples were imaged with a SEM (FEI Quanta 200, Tokyo, Japan) at an acceleration voltage of 15 kV.

Human Cell Lines

Human umbilical vein endothelial cells (HUVECs; catalogue number:C0035C) and human fibroblasts (catalogue number:C0135C) were obtained from Thermo Fisher Scientific. HUVECs were maintained on low-serum Medium 200 basal media supplemented with Large Vessel Endothelial Supplement (Thermo Fisher Scientific) and 1% penicillin/streptomycin (Thermo Fisher Scientific), whereas fibroblasts were cultured in low-serum Medium 106 (Thermo Fisher Scientific) supplemented with Low Serum Growth Supplement (Thermo Fisher Scientific) and 1× penicillin/streptomycin (Thermo Fisher Scientific). Cells were maintained at 37 °C in a humidified atmosphere of 5% CO2 /95% air.

To analyse biological interactions, the nanoplatforms were put into six-well plates. After detachment from the cell culture flask, HUVECs or fibroblasts were placed directly on the nanoplatform with 100 μl of growth media. To avoid the media drying during incubations, plates were kept in humidity chambers.

Analysis of Nanoplatform Toxicity to HUVECs and Fibroblasts

To analyse HUVEC and fibroblast viability on the nanoplatforms, cells were cultured in the droplet directly on the nanoplatforms or uncoated foil (1 × 10 4 cells in 100 μl growth media). After 24 h of incubation, cell viability was analysed using a PrestoBlue assay (Thermo Fisher Scientific). PrestoBlue reagent was incubated with assessed cells for 2 h in a cell culture incubator. Subsequently, 50 μl of growth media with PrestoBlue reagent was transferred to a 96-well plate where fluorescence (excitation λ  = 560 nm, emission λ  = 590 nm) was analysed using a Tecan Infinite 200 microplate reader (Tecan, Durham, USA). Cell viability was expressed as the relative value after substitution of the fluorescence from blank samples. Experiments were repeated three times.

Fibroblast morphology was observed using an inverted optical microscope (Olympus Corporation) using phase contrast. Fibroblasts were seeded in 35-mm diameter Petri dishes directly on the nanoplatforms (1 × 10 4 cells in 100 μl growth media). Images were taken after 24 h of incubation.

Chorioallantoic Membrane Assay

Fertilised eggs from Ross 308 hens were obtained from a certified hatchery and kept for 4 days at 12 °C. The eggs were cleaned, sterilised with UVC light and divided into four groups (4 × 20 eggs). Embryos were incubated at standard conditions (temperature 37 °C, humidity 60% and turned once per hour). At 8 days of embryonic development, small holes (1 cm 2 ) were made in the shell above the air space, the inner membrane was gently striped off and the nanoplatforms were placed on the chicken embryo chorioallantoic membrane. Subsequently, chicken embryos were incubated for the next 48 h, when nanoplatforms were cut out with the chorioallantoic membrane that was directly below the nanoplatform. The chorioallantoic membrane on the nanoplatforms was imaged using a stereoscopic microscope (SZX10, Olympus Corporation).

Antibody Array Analysis

An analysis of inflammation cytokines in fibroblast growth medium was performed using an antibody array (Abcam, Cambridge, UK; catalogue number ab134003). Fibroblast cells (1 × 10 4 ) were incubated on nanoplatforms coated with AgNPs, GO, Ag-GO and uncoated foil with 100 μl of media. After 24 h, 80 μl of growth medium was collected. For each experimental group, the growth medium from six foils was used for analysis. Pooled growth medium from the six experiments was centrifuged (1600 rpm for 5 min), and 500 μl of growth media was diluted in 500 μl of PBS. Therefore, 1 ml of diluted growth media was used per each analysed membrane. The assay was performed in accordance with the manufacturer’s instructions. Diluted growth media was incubated with the membranes for 24 h at 4 °C. Subsequently, antibodies conjugated with biotins were added and incubated for the next 24 h at 4 °C. In the next step, the membranes were incubated with streptavidin conjugated with horseradish peroxidase for 2 h at room temperature. Membranes were visualised after the addition of the provided horseradish peroxidase substrate using a ChemiDoc imaging system (Bio-Rad, Hercules, USA).

Statistical Analysis

Data were analysed using one-way analysis of variance with GraphPad Prism 8 (GraphPad Software, San Diego, CA, USA). Differences between groups were tested with Tukey’s HSD post hoc tests. Results are shown as means with standard deviations. Differences at P  < 0.05 were considered significant.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

The datasets used and/or analysed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.

Afkortingen

Ag-GO:

Composite of silver nanoparticles and graphene oxide

AgNPs:

Silver nanoparticles

CFU:

Colony-forming units

DLS:

Dynamische lichtverstrooiing

FT-IR:

Fourier transform infrared spectroscopy

GM-CSF:

Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor

GO:

Grafeenoxide

HUVECs:

Human umbilical vein endothelial cells

IL-6:

Interleukin 6

IL-8:

Interleukin 8

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscoop

TNF-α:

Tumour necrosis factor alpha

TNF-β:

Tumour necrosis factor beta


Nanomaterialen

  1. Voorbereiding van met ICA geladen mPEG-ICA nanodeeltjes en hun toepassing bij de behandeling van door LPS geïnduceerde H9c2-celbeschadiging
  2. Biogene synthese, karakterisering en antibacteriële potentiële evaluatie van koperoxide-nanodeeltjes tegen Escherichia coli
  3. Eenvoudige synthese van gekleurd en geleidend CuSCN-composiet gecoat met CuS-nanodeeltjes
  4. Endotheelcellen targeten met multifunctionele GaN/Fe-nanodeeltjes
  5. Bioveiligheid en antibacterieel vermogen van grafeen en grafeenoxide in vitro en in vivo
  6. Bevordering van SH-SY5Y-celgroei door gouden nanodeeltjes gemodificeerd met 6-mercaptopurine en een neuron-penetrerend peptide
  7. Groene bekwaamheid in de synthese en stabilisatie van kopernanodeeltjes:katalytische, antibacteriële, cytotoxiciteits- en antioxidantactiviteiten
  8. Platycodon-saponinen van Platycodi Radix (Platycodon grandiflorum) voor de groene synthese van gouden en zilveren nanodeeltjes
  9. Op grafeenoxide gebaseerde nanocomposieten versierd met zilveren nanodeeltjes als antibacterieel middel
  10. Groene synthese van metaal- en metaaloxidenanodeeltjes en hun effect op de eencellige alg Chlamydomonas reinhardtii
  11. Een gemakkelijke aanpak voor de bereiding van zinkoxide van nanoformaat in water/glycerol met extreem geconcentreerde zinkbronnen