Eigenschappen van zinkoxide-nanodeeltjes en hun activiteit tegen microben

Antimicrobiële activiteit van zinkoxide-nanodeeltjes

Het is algemeen bekend dat nanodeeltjes van zinkoxide antibacterieel zijn en de groei van micro-organismen remmen door in het celmembraan te dringen. De oxidatieve stress beschadigt lipiden, koolhydraten, eiwitten en DNA [53]. Lipideperoxidatie is duidelijk de meest cruciale die leidt tot verandering in celmembraan die uiteindelijk vitale cellulaire functies verstoren [54]. Het wordt ondersteund door een oxidatief stressmechanisme waarbij nanodeeltjes van zinkoxide in Escherichia coli betrokken zijn. [55]. Voor suspensie van zinkoxide in bulk, externe vorming van H₂ O₂ is gesuggereerd om de antibacteriële eigenschappen te beschrijven [56]. Ook is er gekeken naar de toxiciteit van nanodeeltjes, waarbij giftige ionen vrijkomen. Omdat zinkoxide amfoteer van aard is, reageert het met zowel zuren als alkaliën en geeft Zn ²⁺ ionen.

De gratis Zn ²⁺ ionen binden zich onmiddellijk met de biomoleculen zoals eiwitten en koolhydraten, en alle vitale functies van bacteriën houden op door te gaan. De toxiciteit van zinkoxide, zinknanodeeltjes en ZnSO₄ ·7H₂ O is getest (tabel 1) tegen Vibrio fischeri . Het bleek dat ZnSO₄ ·7H₂ O is zes keer giftiger dan nanodeeltjes van zinkoxide en zinkoxide. De nanodeeltjes zijn eigenlijk gedispergeerd in het oplosmiddel, niet opgelost, en daarom kunnen ze geen Zn ²⁺ afgeven ionen. De biologische beschikbaarheid van Zn ²⁺ ionen is niet altijd 100% en kan onveranderlijk veranderen met fysiologische pH, redoxpotentiaal en de anionen die ermee verbonden zijn, zoals Cl ⁻ of SO₄ ²⁻ .

De oplosbaarheid van zinkoxide (1,6-5,0 mg/L) in waterig medium is hoger dan die van zinkoxide-nanodeeltjes (0,3-3,6 mg/L) in hetzelfde medium [57] dat giftig is voor algen en schaaldieren. Zowel nanozinkoxide als bulkzinkoxide zijn 40-80 keer minder toxisch dan ZnSO₄ tegen V. fischeri . De hogere antibacteriële activiteit van ZnSO₄ is recht evenredig met zijn oplosbaarheid, waarbij Zn ²⁺ . vrijkomt ionen, die een hogere mobiliteit en grotere affiniteit [58] voor biomoleculen in de bacteriële cel hebben vanwege de positieve lading op de Zn ²⁺ en negatieve lading op de biomoleculen.

Omdat zinkoxide en zijn nanodeeltjes een beperkte oplosbaarheid hebben, zijn ze minder toxisch voor de microben dan het zeer oplosbare ZnSO₄ ·7H₂ O. Het is echter niet essentieel dat metaaloxidenanodeeltjes de bacteriële cel binnendringen om toxiciteit te veroorzaken [59]. Contact tussen nanodeeltjes en de celwand is voldoende om toxiciteit te veroorzaken. Als het juist is, zijn er grote hoeveelheden metalen nanodeeltjes nodig, zodat de bacteriecellen volledig worden omhuld en afgeschermd van hun omgeving, waardoor er geen kans is dat voeding wordt opgenomen om het levensproces voort te zetten. Omdat nanodeeltjes en metaalionen kleiner zijn dan de bacteriecellen, is de kans groter dat ze het celmembraan verstoren en hun groei remmen.

Een aantal metaaloxiden met nanogrootte zoals ZnO, CuO, Al₂ O₃ , La₂ O₃ , Fe₂ O₃ , SnO₂ , en TiO₂ is aangetoond dat ze de hoogste toxiciteit vertonen tegen E. coli [49]. Zinkoxide nanodeeltjes worden uitwendig gebruikt voor de behandeling van milde bacteriële infecties, maar het zinkion is een essentieel sporenelement voor sommige virussen en mensen die de enzymatische activiteit van virale integrase verhogen [45, 60, 61]. Het werd ook ondersteund door een toename van het infectieuze pancreasnecrosevirus met 69,6% bij behandeling met 10 mg/L Zn [46]. Het kan te wijten zijn aan een grotere oplosbaarheid van Zn-ionen ten opzichte van alleen ZnO. De SEM- en TEM-afbeeldingen hebben aangetoond dat zinkoxide-nanodeeltjes de bacteriële celwand beschadigen [55, 62] en de permeabiliteit verhogen, gevolgd door hun accumulatie in E. coli voorkomen van hun vermenigvuldiging [63].

In het recente verleden is de antibacteriële activiteit van zinkoxide nanodeeltjes onderzocht tegen vier bekende gram-positieve en gram-negatieve bacteriën, namelijk Staphylococcus aureus , E. coli , Salmonella typhimurium , en Klebsiella pneumoniae . Er werd waargenomen dat de groeiremmende dosis van de zinkoxide-nanodeeltjes 15 μg/ml was, hoewel in het geval van K. longontsteking , was het slechts 5 μg/ml [63, 64]. Er is opgemerkt dat met toenemende concentratie van nanodeeltjes de groeiremming van microben toeneemt. Toen ze gedurende een periode van 4-5 uur werden geïncubeerd met een maximale concentratie van zinkoxide-nanodeeltjes van 45 μg/ml, werd de groei sterk geremd. De verwachting is dat als de incubatietijd wordt verlengd, de groeiremming ook toeneemt zonder veel verandering in het werkingsmechanisme [63].

Er is gemeld dat de metaaloxide-nanodeeltjes eerst het bacteriële celmembraan beschadigen en er vervolgens in doordringen [64]. Er is ook voorgesteld dat de release van H₂ O₂ kan een alternatief zijn voor antibacteriële activiteit [65]. Dit voorstel vereist echter experimenteel bewijs omdat de loutere aanwezigheid van zinkoxide nanodeeltjes niet voldoende is om H₂ te produceren O₂ . Zink-nanodeeltjes of zinkoxide-nanodeeltjes met een extreem lage concentratie kunnen geen toxiciteit veroorzaken in het menselijk systeem. Dagelijkse inname van zink via de voeding is nodig om de normale metabolische functies uit te voeren. Van zinkoxide is bekend dat het de maag en het darmkanaal beschermt tegen schade door E. coli [65]. De pH in de maag varieert tussen 2 en 5, en daarom kan zinkoxide in de maag reageren met zuur om Zn ²⁺ te produceren ionen. Ze kunnen helpen bij het activeren van het enzym carboxypeptidase, koolzuuranhydrase en alcoholdehydrogenase, die helpen bij de vertering van koolhydraten en alcohol. Premanathan et al. [66] hebben melding gemaakt van de toxiciteit van zinkoxide-nanodeeltjes tegen prokaryotische en eukaryote cellen. De MIC van zinkoxide nanodeeltjes tegen E. coli , Pseudomonas aeruginosa , en S. aureus bleken respectievelijk 500 en 125 μg/ml te zijn. Er zijn twee werkingsmechanismen voorgesteld voor de toxiciteit van zinkoxide-nanodeeltjes, namelijk (1) het genereren van ROS en (2) inductie van apoptose. Metaaloxide-nanodeeltjes induceren ROS-productie en zetten de cellen onder oxidatieve stress en veroorzaken schade aan cellulaire componenten, d.w.z. lipiden, eiwitten en DNA [67,68,69]. Zinkoxide nanodeeltjes induceren daarom toxiciteit door apoptose. Ze zijn relatief giftiger voor kankercellen dan normale cellen, hoewel ze er geen onderscheid tussen kunnen maken.

Onlangs hebben Pati et al. [70] hebben aangetoond dat nanodeeltjes van zinkoxide de integriteit van het bacteriële celmembraan verstoren, de hydrofobiciteit van het celoppervlak verminderen en de transcriptie van genen voor oxidatieve stress-resistentie in bacteriën neerwaarts reguleren. Ze versterken de intracellulaire bacteriedoding door de ROS-productie te induceren. Deze nanodeeltjes verstoren de vorming van biofilms en remmen hemolyse door hemolysinetoxine geproduceerd door pathogenen. Intradermale toediening van zinkoxide-nanodeeltjes bleek de huidinfectie en -ontsteking bij muizen aanzienlijk te verminderen en ook de geïnfecteerde huidarchitectuur te verbeteren.

Oplosbaarheid en concentratie-afhankelijke activiteit van zinkoxide nanodeeltjes

Nanodeeltjes zijn ook gebruikt als drager om therapeutische middelen af ​​te leveren voor de behandeling van bacteriële infecties [1, 9]. Omdat nanodeeltjes van zinkoxide tot een concentratie van 100 μg/ml onschadelijk zijn voor normale lichaamscellen, kunnen ze worden gebruikt als alternatief voor antibiotica. Het bleek dat 90% bacteriekolonies stierven nadat ze gedurende 6 uur waren blootgesteld aan een dosis van 500-1000 μg/ml zinkoxide-nanodeeltjes. Zelfs de medicijnresistente S. aureus , Mycobacterium smegmatis , en Mycobacterium bovis bij behandeling met zinkoxide-nanodeeltjes in combinatie met een lage dosis antituberculosegeneesmiddel, rifampicine (0,7 g/ml), werd een significante vermindering van hun groei waargenomen. Deze pathogenen werden volledig vernietigd wanneer ze 24 uur werden geïncubeerd met 1000 μg/ml zinkoxide-nanodeeltjes. Er wordt daarom geconcludeerd dat als dezelfde dosis wordt herhaald, de patiënt met dergelijke infectieziekten volledig kan worden genezen. Er werd ook opgemerkt dat de grootte van nanodeeltjes van zinkoxide tussen 50 en 500 nm een ​​identiek effect hebben op de remming van de groei van bacteriën.

Cytotoxiciteit van zinkoxide is door veel onderzoekers bestudeerd in een verscheidenheid aan microben en plantensystemen [71,72,73,74]. Toxiciteit van zinkoxide nanodeeltjes is afhankelijk van de concentratie en oplosbaarheid. Het is aangetoond dat de maximale blootstellingsconcentratie van zinkoxide (125 mg/l) suspensie 6,8 mg/l Zn ²⁺ afgeeft ionen. Toxiciteit is een gecombineerd effect van zinkoxide nanodeeltjes en Zn ²⁺ ionen die vrijkomen in het waterige medium. Er werd echter een minimaal effect van metaalionen gedetecteerd, wat suggereert dat de remming van de bacteriële groei voornamelijk te wijten is aan de interactie van zinkoxide-nanodeeltjes met micro-organismen. Het cytotoxische effect van een bepaald metaaloxide-nanodeeltje is soortgevoelig, wat wordt weerspiegeld door de groeiremmingszone voor verschillende bacteriën [75].

Er is gesuggereerd dat groeiremming van bacteriële cellen voornamelijk optreedt door Zn ²⁺ ionen die worden geproduceerd door extracellulaire oplossing van zinkoxide-nanodeeltjes [76]. Cho et al. [77] hebben uit hun studies bij ratten geconcludeerd dat nanodeeltjes van zinkoxide intact blijven bij een neutrale of biologische pH, maar snel oplossen onder zure omstandigheden (pH 4,5) in het lysosoom van de microben die tot hun dood leiden. Dit is waar omdat in zure toestand zinkoxide oplost en Zn ²⁺ ionen worden geproduceerd, die binden aan de biomoleculen in de bacteriecel, waardoor hun groei wordt geremd.

Het is aangetoond dat de zinkoxide-nanodeeltjes cytotoxisch zijn voor verschillende primaire immuuncompetente cellen. De transcriptomics-analyse toonde aan dat nanodeeltjes een gemeenschappelijke gensignatuur hadden met opregulatie van metallothioneïne-genen toegeschreven aan het oplossen van de nanodeeltjes [78]. Er kon echter niet worden vastgesteld of het geabsorbeerde zink Zn ²⁺ . was of zinkoxide of beide, hoewel kleinere zinkoxide nanodeeltjes een grotere concentratie in het bloed hebben dan grotere (19 en> 100 nm). De efficiëntie van zinkoxide-nanodeeltjes hangt voornamelijk af van het reactiemedium om Zn ²⁺ te vormen en hun penetratie in de cel.

Chiang et al. [79] hebben gemeld dat dissociatie van zinkoxide-nanodeeltjes resulteert in vernietiging van cellulaire Zn-homeostase. De karakteristieke eigenschappen van nanodeeltjes en hun impact op biologische functies zijn totaal anders dan die van het bulkmateriaal [80]. Aggregatie van nanodeeltjes beïnvloedt de cytotoxiciteit van macrofagen en hun concentratie helpt bij het moduleren van de aggregatie van nanodeeltjes. Een lage concentratie zinkoxide-nanodeeltjes is niet effectief, maar bij een hogere concentratie (100 μg/ml) vertoonden ze een cytotoxiciteit die van ziekteverwekker tot ziekteverwekker verschilt.

Het onbedoelde gebruik van zinkoxide-nanodeeltjes kan soms een negatief effect hebben op het levende systeem. Hun apoptose en genotoxische potentieel in menselijke levercellen en cellulaire toxiciteit zijn onderzocht. Het bleek dat de levensvatbaarheid van de levercellen afneemt wanneer ze gedurende 12 uur worden blootgesteld aan 14-20 μg/ml zinkoxide-nanodeeltjes. Het veroorzaakte ook DNA-schade door oxidatieve stress. Sawai et al. [56] hebben aangetoond dat het genereren van ROS recht evenredig is met de concentratie van zinkoxidepoeder. ROS veroorzaakte een afname van het membraanpotentieel van de mitochondriën, wat leidde tot apoptose [81]. Cellulaire opname van nanodeeltjes is niet verplicht voor het optreden van cytotoxiciteit.

Grootteafhankelijke antibacteriële activiteit van zinkoxide-nanodeeltjes

In een onderzoek hebben Azam et al. [82] hebben gemeld dat de antimicrobiële activiteit tegen zowel gram-negatieve (E. coli en P. aeruginosa ) en grampositieve (S. en Bacillus subtilis ) bacteriën namen toe met een toename van de oppervlakte-tot-volumeverhouding als gevolg van een afname van de deeltjesgrootte van zinkoxide-nanodeeltjes. Bovendien hebben zinkoxide-nanodeeltjes in dit onderzoek maximale (25 mm) bacteriële groeiremming tegen B aangetoond. ondertiteling (Fig. 1).

Antibacteriële activiteit en/of remmingszone geproduceerd door zinkoxide nanodeeltjes tegen gram-positieve en gram-negatieve bacteriestammen, namelijk a Escherichia coli , b Staphylococcus aureus , c Pseudomonas aeruginosa , en d Bacillus subtilis [82]

Er is gemeld dat de kleinere omvang van nanodeeltjes van zinkoxide een grotere antibacteriële activiteit vertoont dan deeltjes op microschaal [83]. Bijvoorbeeld Au ⁵⁵ Er is aangetoond dat nanodeeltjes met een grootte van 1,4 nm een ​​interactie aangaan met de belangrijkste groeven van DNA, wat verantwoordelijk is voor de toxiciteit ervan [84]. Hoewel tegenstrijdige resultaten zijn gemeld, toonden veel werknemers een positief effect van zinkoxide-nanodeeltjes op bacteriële cellen. Brayner et al. [63] van TEM-afbeeldingen hebben aangetoond dat zinkoxide-nanodeeltjes van 10-14 nm werden geïnternaliseerd (bij blootstelling aan microben) en het bacteriële celmembraan beschadigden. Het is ook essentieel dat de zink/zinkoxide-nanodeeltjes niet toxisch mogen zijn voor de mens, aangezien ze toxisch zijn voor T-cellen boven 5 mM [85] en voor neuroblastoomcellen boven 1,2 mM [86]. Nair et al. [87] hebben uitsluitend het grootte-effect van zinkoxide-nanodeeltjes op bacteriële en menselijke celtoxiciteit onderzocht. Ze hebben de invloed van zinkoxide-nanodeeltjes op zowel grampositieve als gramnegatieve bacteriën en osteoblastkankercellijnen (MG-63) bestudeerd.

Het is bekend dat de antibacteriële activiteit van nanodeeltjes van zinkoxide omgekeerd evenredig is met hun grootte en recht evenredig met hun concentratie [88]. Er is ook opgemerkt dat het geen UV-licht nodig heeft voor activering; het functioneert onder normaal of zelfs diffuus zonlicht. Cytotoxische activiteit omvat misschien zowel de productie van ROS als de accumulatie van nanodeeltjes in het cytoplasma of op het buitenste celmembraan. De productie van H₂ O₂ en zijn betrokkenheid bij de activering van nanodeeltjes kan niet worden genegeerd. Raghupathi et al. [88] hebben zinkoxide-nanodeeltjes gesynthetiseerd uit verschillende zinkzouten en waargenomen dat nanodeeltjes verkregen uit Zn(NO₃ )₂ waren het kleinst (12 nm) en het grootst in oppervlakte (90,4). Auteurs hebben aangetoond dat de groeiremming van S. aureus bij een concentratie van 6 mM zinkoxide nanodeeltjes is grootte-afhankelijk. Uit de bepaling van levensvatbare cellen tijdens de blootstelling van bacteriële cellen aan zinkoxide-nanodeeltjes is ook gebleken dat het aantal teruggewonnen cellen aanzienlijk afnam met een afname van de grootte van zinkoxide-nanodeeltjes. Jones et al. [89] hebben aangetoond dat nanodeeltjes van zinkoxide met een diameter van 8 nm de groei van S remden. aureus , E. coli , en B. subtilis. Zinkoxide nanodeeltjes variërend tussen 12 en 307 nm werden geselecteerd en bevestigden de relatie tussen antibacteriële activiteit en hun grootte. Hun toxiciteit voor microben is toegeschreven aan de vorming van Zn ²⁺ ionen van zinkoxide wanneer het in water wordt gesuspendeerd en ook tot op zekere hoogte tot een kleine verandering in pH. Sinds Zn ²⁺ ionen komen nauwelijks vrij uit zinkoxide nanodeeltjes, de antibacteriële activiteit is voornamelijk te danken aan kleinere zinkoxide nanodeeltjes. Als de grootte 12 nm is, remt het de groei van S. aureus , maar wanneer de grootte groter is dan 100 nm, is het remmende effect minimaal [89].

Vorm, samenstelling en cytotoxiciteit van zinkoxide-nanodeeltjes

Zinkoxide-nanodeeltjes hebben cytotoxiciteit aangetoond op concentratie-afhankelijke manier en type cellen dat wordt blootgesteld vanwege verschillende gevoeligheid [90, 91]. Sahu et al. [90] hebben het verschil in cytotoxiciteit tussen deeltjesgrootte en verschillende gevoeligheid van cellen voor deeltjes met dezelfde samenstelling benadrukt. In een ander recent onderzoek hebben Ng et al. [91] onderzocht de concentratieafhankelijke cytotoxiciteit in menselijke long-MRC5-cellen. Auteurs hebben de opname en internalisatie van zinkoxide-nanodeeltjes in de menselijke long-MRC5-cellen gerapporteerd met behulp van TEM-onderzoek. Deze deeltjes werden opgemerkt in het cytoplasma van de cellen in de vorm van elektronendichte clusters, waarvan verder wordt waargenomen dat ze worden omsloten door blaasjes, terwijl zinkoxide-nanodeeltjes niet werden gevonden in onbehandelde controlecellen. Papavlassopoulos et al. [92] hebben zinkoxide-nanodeeltjes-tetrapoden gesynthetiseerd via een geheel nieuwe route die bekend staat als "Vlamtransportsynthesebenadering". Tetrapoden hebben een andere morfologie in vergelijking met de conventioneel gesynthetiseerde nanodeeltjes van zinkoxide. Hun interactie met zoogdierfibroblastcellen in vitro heeft aangetoond dat hun toxiciteit aanzienlijk lager is dan die van de bolvormige zinkoxide-nanodeeltjes. Tetrapoden vertoonden hexagonale wurtziet-kristalstructuur met afwisselend Zn ²⁺ en O ²⁻ ionen met driedimensionale geometrie. Ze blokkeren de toegang van virussen tot levende cellen, wat verder wordt verbeterd door ze nauwkeurig te belichten met UV-straling. Omdat zinkoxide-tetrapoden zuurstofvacatures in hun structuur hebben, is de Herpes simplex virussen worden gehecht via heparansulfaat en de toegang tot lichaamscellen ontzegd. Zo voorkomen ze in vitro HSV-1- en HSV-2-infectie. Zinkoxide-tetrapoden kunnen daarom worden gebruikt als profylactisch middel tegen deze virale infecties. De cytotoxiciteit van zinkoxide-nanodeeltjes hangt ook af van de proliferatiesnelheid van zoogdiercellen [66, 93]. De oppervlaktereactiviteit en toxiciteit kunnen ook worden gevarieerd door het zuurstoftekort in zinkoxide-tetrapoden te regelen. Wanneer ze worden blootgesteld aan UV-licht, wordt de zuurstofleegstand in tetrapoden gemakkelijk vergroot. Als alternatief kan de zuurstofleegstand worden verminderd door ze te verwarmen in een zuurstofrijke omgeving. Het is dus de unieke eigenschap van zinkoxide-tetrapoden die naar believen kunnen worden veranderd, waardoor hun antimicrobiële efficiëntie verandert.

Dierstudies hebben een toename aangetoond van longontsteking, oxidatieve stress, enz. bij blootstelling van de luchtwegen aan nanodeeltjes [94]. Yang et al. [95] hebben de cytotoxiciteit, genotoxiciteit en oxidatieve stress van zinkoxide-nanodeeltjes op primaire fibroblastcellen van muizenembryo's onderzocht. Er werd waargenomen dat nanodeeltjes van zinkoxide een significant grotere cytotoxiciteit induceerden dan die veroorzaakt door koolstof en SiO₂ nanodeeltjes. Het werd verder bevestigd door het meten van glutathion-uitputting, malondialdehyde-productie, superoxide-dismutase-remming en ROS-generatie. De mogelijke cytotoxische effecten van verschillende nanodeeltjes zijn toegeschreven aan hun vorm.

Met polymeer gecoate nanodeeltjes

Veel bacteriële infecties worden overgedragen door contact met deurknoppen, toetsenborden, waterkranen, badkuipen en telefoons; daarom is het essentieel om dergelijke oppervlakken te ontwikkelen en te coaten met goedkope geavanceerde antibacteriële stoffen zodat hun groei wordt geremd. Het is belangrijk om zulke concentraties van antibacteriële stoffen te gebruiken dat ze de ziekteverwekkers kunnen doden maar de mens sparen. Het kan alleen gebeuren als ze zijn gecoat met een biocompatibel hydrofiel polymeer van lage kosten. Schwartz et al. [96] hebben de bereiding van een nieuwe antimicrobiële hydrogel van composietmateriaal gerapporteerd door een biocompatibel poly (N) te mengen -isopropylacrylamide) met nanodeeltjes van zinkoxide. Het SEM-beeld van de composietfilm toonde een uniforme verdeling van zinkoxide-nanodeeltjes. Het vertoonde antibacteriële activiteit tegen E. coli bij een zeer lage zinkoxideconcentratie (1,33 mM). Ook bleek de coating gedurende een periode van 1 week niet-toxisch te zijn voor zoogdiercellijn (N1H/3T3). Zinkoxide/hydrogel nanocomposiet kan veilig worden gebruikt als biomedische coating om te voorkomen dat mensen bacteriële infecties oplopen.

Hoewel nanodeeltjes van zinkoxide stabiel zijn, zijn ze verder gestabiliseerd door ze te coaten met verschillende polymeren zoals polyvinylpyrolidon (PVP), polyvinylalcohol ( PVA), poly (α, γ, l-glutaminezuur) (PGA), polyethyleenglycol (PEG), chitosan en dextran [97, 98]. De antibacteriële activiteit van gemanipuleerde zinkoxide nanodeeltjes werd onderzocht tegen gram-negatieve en gram-positieve pathogenen, namelijk E. coli en S. aureus en vergeleken met commercieel zinkoxidepoeder. De met polymeer beklede bolvormige zinkoxide-nanodeeltjes vertoonden maximale vernietiging van bacteriële cellen in vergelijking met bulkzinkoxidepoeder [99]. Omdat met polymeren gecoate nanodeeltjes minder toxisch zijn vanwege hun lage oplosbaarheid en aanhoudende afgifte, kan hun cytotoxiciteit worden gecontroleerd door ze te coaten met een geschikt polymeer.

Effect of Particle Size and Shape of Polymer-Coated Nanoparticles on Antibacterial Activity

E. coli and S. aureus exposed to different concentrations of poly ethylene glycol (PEG)-coated zinc oxide nanoparticles (1–7 mM) of varying size (401 nm–1.2 μm) showed that the antimicrobial activity increases with decreasing size and increasing concentration of nanoparticles. However, the effective concentration in all these cases was above 5 mM. There occurs a drastic change in cell morphology of E. coli surface which can be seen from the SEM images of bacteria before and after their exposure to zinc oxide nanoparticles [84]. It has been nicely demonstrated by Nair et al. [87] that PEG-capped zinc oxide particles and zinc oxide nanorods are toxic to human osteoblast cancer cells (MG-63) at concentration above 100 μM. The PEG starch-coated nanorods/nanoparticles do not damage the healthy cells.

In Vivo and In Vitro Antimicrobial Activity for Wound Dressing

Of all natural and synthetic wound dressing materials, the chitosan hydrogel microporous bandages laced with zinc oxide nanoparticles developed by Kumar et al. [100] are highly effective in treating burns, wounds, and diabetic foot ulcers. The nanoparticles of approximately 70–120 nm are dispersed on the surface of the bandage. The degradation products of chitosan were identified as d-glucosamine and glycosamine glycan. They are nontoxic to the cells because they are already present in our body for the healing of injury. The wound generally contains P. aeruginosa , S. intermedicus , and S. hyicus which were also identified from the swab of mice wound and successfully treated with chitosan zinc oxide bandage in about 3 weeks [100].

Effect of Doping on Toxicity of Zinc Oxide Nanoparticles

Doping of zinc oxide nanoparticles with iron reduces the toxicity. The concentration of Zn ²⁺ and zinc oxide nanoparticles is also an important factor for toxicity. The concentration that reduced 50% viability in microbial cells exposed to nano- and microsize zinc oxide is very close to the concentration of Zn ²⁺ that induced 50% reduction in viability in Zn ²⁺ -treated cells [101, 102].

Coating of zinc oxide nanoparticles with mercaptopropyl trimethoxysilane or SiO₂ reduces their cytotoxicity [103]. On the contrary, Gilbert et al. [104] showed that in BEAS-2B cells, uptake of zinc oxide nanoparticles is the main mechanism of zinc accumulation. Also, they have suggested that zinc oxide nanoparticles dissolve completely generating Zn ²⁺ ions which are bonded to biomolecules of the target cells. However, the toxicity of zinc oxide nanoparticles depends on the uptake and their subsequent interaction with target cells.

Interaction Mechanism of Zinc Oxide Nanoparticles

Nanoparticles may be toxic to some microorganisms, but they may be essential nutrients to some of them [55, 105]. Nanotoxicity is essentially related to the microbial cell membrane damage leading to the entry of nanoparticles into the cytoplasm and their accumulation [55]. The impact of nanoparticles on the growth of bacteria and viruses largely depends on particle size, shape, concentration, agglomeration, colloidal formulation, and pH of the media [106,107,108]. The mechanism of antimicrobial activity of zinc oxide nanoparticles has been depicted in Fig. 2.

Mechanisms of zinc oxide nanoparticle antimicrobial activity

Zinc oxide nanoparticles are generally less toxic than silver nanoparticles in a broad range of concentrations (20 to 100 mg/l) with average particle size of 480 nm [55, 62, 63]. Metal oxide nanoparticles damage the cell membrane and DNA [63, 109,110,111] of microbes via diffusion. However, the production of ROS through photocatalysis causing bacterial cell death cannot be ignored [112]. UV-Vis spectrum of zinc oxide nanoparticle suspension in aqueous medium exhibits peaks between 370 and 385 nm [113]. It has been shown that it produces ROS (hydroxyl radicals, superoxides, and hydrogen peroxide) in the presence of moisture which ostensibly react with bacterial cell material such as protein, lipids, and DNA, eventually causing apoptosis. Xie et al. [114] have examined the influence of zinc oxide nanoparticles on Campylobacter jejuni cell morphology using SEM images (Fig. 3). After a 12-h treatment (0.5 mg/ml), C. jejuni was found to be extremely sensitive and cells transformed from spiral shape to coccoid forms. SEM studies showed the ascendency of coccoid forms in the treated cells and display the formation of irregular cell surfaces and cell wall blebs (Fig. 3a). Moreover, these coccoid cells remained intact and possessed sheathed polar flagella. However, SEM image of the untreated cells clearly showed spiral shapes (Fig. 3b). In general, it has been demonstrated from SEM and TEM images of bacterial cells treated with zinc oxide nanoparticles that they get ruptured and, in many cases, the nanoparticles damage the cell wall forcing their entry into it [114, 115].

SEM images of Campylobacter jejuni . een Untreated cells from the same growth conditions were used as a control. b C. jejuni cells in the mid-log phase of growth were treated with 0.5 mg/ml of zinc oxide nanoparticles for 12 h under microaerobic conditions [114]

Zinc oxide nanoparticles have high impact on the cell surface and may be activated when exposed to UV-Vis light to generate ROS (H₂ O₂ ) which permeate into the cell body while the negatively charged ROS species such as O₂ ²⁻ remain on the cell surface and affect their integrity [116, 117]. Anti-bacterial activity of zinc oxide nanoparticles against many other bacteria has also been reported [1, 5, 114, 115]. It has been shown from TEM images that the nanoparticles have high impact on the cell surface (Fig. 4).

een TEM images of untreated normal Salmonella typhimurium cellen. b Effects of nanoparticles on the cells (marked with arrows). c , d Micrograph of deteriorated and ruptured S. typhimurium cells treated with zinc oxide nanoparticles [115]

Sinha et al. [118] have also shown the influence of zinc oxide nanoparticles and silver nanoparticles on the growth, membrane structure, and their accumulation in cytoplasm of (a) mesophiles:Enterobacter sp. (gram negative) and B. subtilis (gram positive) and (b) halophiles:halophilic bacterium sp. (gram positive) and Marinobacter sp. (gram negative). Nanotoxicity of zinc oxide nanoparticles against halophilic gram-negative Marinobacter species and gram-positive halophilic bacterial species showed 80% growth inhibition. It was demonstrated that zinc oxide nanoparticles below 5 mM concentration are ineffective against bacteria. The bulk zinc oxide also did not affect the growth rate and viable counts, although they showed substantial decrease in these parameters. Enterobacter species showed dramatic alterations in cell morphology and reduction in size when treated with zinc oxide.

TEM images shown by Akbar and Anal [115] revealed the disrupted cell membrane and accumulation of zinc oxide nanoparticles in the cytoplasm (Fig. 4) which was further confirmed by FTIR, XRD, and SEM. It has been suggested that Zn ²⁺ ions are attached to the biomolecules in the bacterial cell via electrostatic forces. They are actually coordinated with the protein molecules through the lone pair of electrons on the nitrogen atom of protein part. Although there is significant impact of zinc oxide nanoparticles on both the aquatic and terrestrial microorganisms and human system, it is yet to be established whether it is due to nanoparticles alone or is a combined effect of the zinc oxide nanoparticles and Zn ²⁺ ions [55, 106, 109, 119]. Antibacterial influence of metal oxide nanoparticles includes its diffusion into the bacterial cell, followed by release of metal ions and DNA damage leading to cell death [63, 109,110,111]. The generation of ROS through photocatalysis is also a reason of antibacterial activity [62, 112]. Wahab et al. [120] have shown that when zinc oxide nanoparticles are ingested, their surface area is increased followed by increased absorption and interaction with both the pathogens and the enzymes. Zinc oxide nanoparticles can therefore be used in preventing the biological system from infections. It is clear from TEM images (Fig. 5a, b) of E. coli incubated for 18 h with MIC of zinc oxide nanoparticles that they had adhered to the bacterial cell wall. The outer cell membrane was ruptured leading to cell lysis. In some cases, the cell cleavage of the microbes has not been noticed, but the zinc oxide nanoparticles can yet be seen entering the inner cell wall (Fig. 5c, d). As a consequence of it, the intracellular material leaks out leading to cell death, regardless of the thickness of bacterial cell wall.

TEM images of Escherichia coli (een ), zinc oxide nanoparticles with E. coli at different stages (b and inset), Klebsiella pneumoniae (c ), and zinc oxide nanoparticles with K. pneumoniae (d and inset) [120]

Mechanism of interaction of zinc oxide nanoparticles with bacterial cells has been outlined below [120]. Zinc oxide absorbs UV-Vis light from the sun and splits the elements of water.

Dissolved oxygen molecules are transformed into superoxide, O₂ ⁻ , which in turn reacts with H ⁺ to generate HO₂ radical and after collision with electrons produces hydrogen peroxide anion, HO₂ ⁻ . They subsequently react with H ⁺ ions to produce H₂ O₂ .

It has been suggested that negatively charged hydroxyl radicals and superoxide ions cannot penetrate into the cell membrane. The free radicals are so reactive that they cannot stay in free and, therefore, they can either form a molecule or react with a counter ion to give another molecule. However, it is true that zinc oxide can absorb sun light and help in cleaving water molecules which may combine in many ways to give oxygen. Mechanism of oxygen production in the presence of zinc oxide nanoparticles still needs experimental evidence.

Zinc oxide at a dose of 5 μg/ml has been found to be highly effective for all the microorganisms which can be taken as minimum inhibitory dose.

Conclusies

Zinc is an indispensable inorganic element universally used in medicine, biology, and industry. Its daily intake in an adult is 8–15 mg/day, of which approximately 5–6 mg/day is lost through urine and sweat. Also, it is an essential constituent of bones, teeth, enzymes, and many functional proteins. Zinc metal is an essential trace element for man, animal, plant, and bacterial growth while zinc oxide nanoparticles are toxic to many fungi, viruses, and bacteria. People with inherent genetic deficiency of soluble zinc-binding protein suffer from acrodermatitis enteropathica, a genetic disease indicated by python like rough and scaly skin. Although conflicting reports have been received about nanoparticles due to their inadvertent use and disposal, some metal oxide nanoparticles are useful to men, animals, and plants. The essential nutrients become harmful when they are taken in excess. Mutagenic potential of zinc oxide has not been thoroughly studied in bacteria even though DNA-damaging potential has been reported. It is true that zinc oxide nanoparticles are activated by absorption of UV light without disturbing the other rays. If zinc oxide nanoparticles produce ROS, they can damage the skin and cannot be used as sun screen. Antibacterial activity may be catalyzed by sunlight, but hopefully, it can prevent the formation of ROS. Zinc oxide nanoparticles and zinc nanoparticles coated with soluble polymeric material may be used for treating wounds, ulcers, and many microbial infections besides being used as drug carrier in cancer therapy. It has great potential as a safe antibacterial drug which may replace antibiotics in future. Application of zinc oxide nanoparticles in different areas of science, medicine, and technology suggests that it is an indispensable substance which is equally important to man and animals. However, longtime exposure with higher concentration may be harmful to living system.