Assemblage van Carbon Dots in frameworks met verbeterde stabiliteit en antibacteriële activiteit

Resultaten en discussies

Karakterisering van de materialen

Grootteonderzoeken

Figuur 2 toont de SEM van het poeder voor CDF's met een relatief lagere (Fig. 2a0) en hogere vergroting (Fig. 2b0) na blootstelling aan de lucht gedurende enkele uren. Het is te zien dat de CDF's goed verdeeld waren en een gemiddelde grootte van ca. 25 nm. CD's zouden mono-gedispergeerde kleine afmetingen vertonen op basis van de TEM- en AFM-studie (aanvullend bestand 1:figuur S1), maar deze kleine deeltjes vertoonden aggregatiewaarneming door SEM na blootstelling aan lucht gedurende een bepaalde tijd (aanvullend bestand 1:figuur S2 ). Aan de andere kant behielden CDF's hun morfologie hoewel ze werden blootgesteld aan de omringende omgeving. Dit gaf aan dat de zoals verkregen CDF's veelbelovender zijn voor praktische toepassingen. CDF's werden verder gekenmerkt door TEM (figuur 2b1). Het is te zien dat CDF's assemblagestructuren vertoonden met kleine CD's als bouwstenen. De hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HR-TEM) (Fig. 2b2) analyse onthulde dat de bouwsteen van CDF's roosterranden vertoonde met een d-afstand van 0,21 nm, wat overeenkomt met het (100) vlakke rooster van grafiet, dat vergelijkbaar met de klassieke cd's [23,24,25]. Daarom verliezen de montage-CDF's het kenmerk van CD's niet, wat de voordelen van zowel de hele grote raamwerken als de kleine bouwstenen aan de binnenkant kan combineren.

SEM voor CDF's met relatief lagere (a0 ) en hogere vergroting (b0 ); TEM (b1 ) HR-TEM (b2 ) van CDF's

Zeta-potentieel

Zeta-potentiaalonderzoeken werden gebruikt om de mate van elektrostatische afstoting van CD's en CDF's tussen aangrenzende geladen deeltjes in het verspreide systeem te meten (Fig. 3). Het kan worden gezien dat de zeta-potentiaalpiek van cd's niet goed werd gekenmerkt, die werden blootgesteld aan de omringende omgeving. Bovendien werden meerdere zeta-potentiaalpieken verkregen met grote zeta-afwijkingen (tabel 1), wat aangeeft dat de cd's behoorlijk onstabiel en onherhaalbaar waren. Aan de andere kant concentreerde de zeta-potentiaalpiek voor CDF's zich op een relatief stabiel bereik. We hadden ook veel kleinere zeta-afwijkingen op basis van drievoudige metingen, waaruit bleek dat CDF's stabieler waren en dat de verspreide systemen monsters met een hogere zuiverheid hadden.

Zeta-potentieel van cd's (a ) en CDF's (b )

Fluorescentie-eigenschappen

De fluorescentie-emissiespectra werden gebruikt om het assemblageproces van CD's naar CDF's te volgen (Fig. 4). Als de titratie van PEI nam de fluorescentie-emissie bij 350 nm geleidelijk af (figuur 4a). Maar er werd geen significante verschuiving van fluorescentiespectra waargenomen, waaruit bleek dat er geen aggregatie plaatsvond. De assemblagestructuur van CDF's verandert de volledige grootte van CD's, wat de fluorescentie beïnvloedt. Ondertussen markeerden de nabijgelegen cd's de fluorescentie van elkaar. Daarnaast speelt oppervlaktechemie een belangrijke rol bij fluorescentie-eigenschappen. De stikstofatomen en zwavelatomen op het oppervlak van CD's kunnen energievallen genereren. De heldere fluorescentie van cd's wordt toegeschreven aan het defecte oppervlak met veel carbonyl- en aminogroepen. Na de functionalisering van PEI werd het oppervlak van CDF's gedomineerd door de aminogroepen, die de fluorescentie samen met de groeiende maten doofden. De vergelijking van het fluorescentiegedrag van CD's en CDF's werd verder onderzocht door TCSPC om de door foto gegenereerde ladingsrecombinatieroutes van de materialen te begrijpen (figuur 4b). Emissie werd gevolgd bij 430 nm. Het fluorescentieverval vereiste een exponentiële pasvorm met twee componenten. De tijdconstanten en relatieve amplitudes zijn gemonteerd en samengevat in tabel S1. Men kon zien dat de levensduur van de dominante component voor cd's 2,45 ns was, terwijl die van de andere component 7,47 ns was. Aan de andere kant was de levensduur van de dominante component voor cd's 1,98 ns, terwijl de andere component een levensduur van 7,30 ns vertoonde. Er werd geen significante verandering in de levensduur waargenomen tussen CD's en CDF's, wat ook aangaf dat de eigenschappen van CD's niet substantieel waren veranderd tijdens de montage in CDF's [26].

Fluorescentie-emissiespectra a van cd's als de titratie van PEI en levensduur b voor cd's en cdf's

Toxiciteit

Voor evaluatie van de veiligheid van de materialen wordt de toxiciteit van de CD's en CDF's voor PC12-cellen onderzocht. Er werden testen van MTT uitgevoerd om de invloed van de materialen op de levensvatbaarheid van cellen te onderzoeken (Fig. 5). Na incubatie van PC12 met CD's en CDF's werd de levensvatbaarheid van de cellen binnen 24 uur niet veel beïnvloed. Interessant is dat beide koolstofmaterialen de proliferatie van PC12 bevorderen, dat een belangrijke rol speelt bij de behandeling van zenuwbeschadiging. Deze resultaten duiden op de lage toxiciteit van de materialen en de materialen zijn veelbelovend voor zenuwbescherming met betrokken PC12-cellen [27].

Cellevensvatbaarheid van PC12 in aanwezigheid van cd's (a ) en CDF's (b ). Levensvatbaarheid van de cellen (%) = (absorptie van de experimentele groep—absorptie van de blanco groep)/(absorptie van de controlegroep—absorptie van de blanco groep) × 100%

Antibacteriële onderzoeken

De antibacteriële activiteiten van de CD's en CDF's werden aanvankelijk geëvalueerd door de bacteriële dichtheid te meten in aanwezigheid van deze middelen bij 600 nm [28]. Fig. 6 toont een aanzienlijk antibacterieel effect van zowel de CD's als de CDF's tegen zowel de S. aureus en E. coli cellen. Vooral de levensvatbaarheid van de S. aureus cellen was bijna 0 wanneer meer dan 30 µg/ml van de CDF's werden gebruikt. Evenzo is de E. coli cellen werden gedesinfecteerd door zowel CD's als CDF's. Cd's vertoonden meerdere ladingen (Fig. 3a). Aan de andere kant waren de CDF's met onbeduidende ladingen (figuur 3b), die de bacteriële adhesie onder zwakke afstoting zouden kunnen onderdrukken, waardoor ze gemakkelijker interageren met het bacteriële oppervlak. Ter vergelijking:de CDF's vertonen een hogere antibacteriële activiteit op basis van het fenomeen dat een relatief grotere verhouding van de cellen wordt gedood wanneer meer dan 6 µg/ml van de materialen wordt gebruikt. De verhoogde antibacteriële activiteit van CDF's wordt mogelijk toegeschreven aan het synergie-effect van CD's als bouwstenen en aan de stabielere oppervlakteladingen. Om het antibacteriële mechanisme goed te begrijpen, werd de ROS gemeten die niet-fluorescerende DCFH tot fluorescerende DFC kon oxideren (figuur 6C). Beide koolstofmaterialen induceerden geen significante ROS-productie na behandeling van E. coli . CDF's verbeterden echter opmerkelijk de intracellulaire ROS terwijl ze in wisselwerking stonden met S. aureus . Omdat ROS bacterieel DNA, RNA en eiwitten kan beschadigen, vergemakkelijkte de verhoogde waarde de desinfectie van de bacteriën. Verder werd de ROS gestimuleerd met H₂ O_2. Het is vermeldenswaard dat ROS-producties allemaal dramatisch werden gepromoot in vergelijking met de H₂ O₂ behandeling alleen, terwijl CDF's de hoogste verbetering vertoonden. Dit gaf de combinatie van H₂ . aan O₂ met deze twee koolstofmaterialen zou de antibacteriële activiteit verder kunnen verbeteren, vooral voor de CDF's.

Antibacteriële activiteit van CD's en CDF's tegen S. aureus (een ) en E.coli (b ), c fluorescentie-intensiteit van DCF bij 525 nm, wat een lineair verband vertoont met het ROS-niveau, met de behandeling van CD's en CDF's in de afwezigheid en aanwezigheid van H₂ O₂ (100 μM)

Van sommige cd's is eerder gemeld dat ze S desinfecteren. aureus , die ter vergelijking in tabel 2 wordt vermeld. De huidige CDF's lieten een competitieve MIC zien. Bovendien, in plaats van alleen de onderzochte levensvatbaarheid van de cellen te verminderen, bevorderden CDF's de celproliferatie van PC12, wat wijst op hun veelzijdigheid bij de behandeling van bacteriële infecties.

De integriteit van het bacteriële membraan na de behandeling met CD's en CDF's werd onderzocht door het levend/dood-kleuringsexperiment (Fig. 7). De groen fluorescerende FDA-kleuring kan alleen de levende cellen laten zien, terwijl rood fluorescerende PI specifiek dode bacteriën kleurt met gebroken membranen, maar de levende met intacte bacteriële membranen zijn ongekleurd [30, 31]. Zoals te zien is in de fluorescentiebeelden, werd duidelijke rode fluorescentie gezien in de met CD's behandelde monsters en werd een veel hogere dichtheid van de dode cellen waargenomen door de met CDF's behandelde monsters.

FDA/PI-kleuring S. aureus en E. coli in de afwezigheid en aanwezigheid van cd's en cdf's bij 30 µg/ml. Schaalbalk, 200 µm

Op basis van de bovenstaande vergelijkingen concluderen we dat CDF's veelbelovend zijn voor het doden van zowel Gram-positieve als Gram-negatieve bacteriële cellen. Daarom, E. coli en S. aureus voor en na behandeling met 30 µg/ml CDF's werden gekarakteriseerd door SEM (Fig. 8). Zoals getoond in Fig. 8a, c, vertonen bacteriën vóór behandeling met CDF's een regelmatig oppervlak. Echter, na incubatie met CDF's, werd de morfologie van de bacteriële cellen, waaronder S. aureus (Fig. 8b) end E. coli (Fig. 8d) drastisch veranderd. Bovendien braken de membranen van veel bacteriecellen uit elkaar. Er werden enkele kleine materialen waargenomen op het oppervlak van de bacteriën, die afkomstig waren van de aangehechte CDF's. Dit geeft aan dat de CDF's de bacteriële cellen kunnen desinfecteren door de membranen te beschadigen [32].

SEM voor S. aureus (een , b ) en E.coli voor (een , c ) en na (b , d ) de behandeling met 30 µg/ml CDF's. Schaalbalk:2 µm

Omdat zowel cd's als cdf's fluorescerend zijn, werd 6 µg/ml van de middelen onderzocht op bacteriële beeldvorming tijdens de voortgang van de desinfectie. De beeldvorming van S. aureus werd onderzocht en getoond in Fig. 9. Interessant genoeg werd gevonden dat zowel CD's als CDF's konden worden gebruikt voor beeldvorming van de S. aureus . CDF's vertonen echter een hogere opname-efficiëntie omdat de bacteriële cellen die vanuit de heldere en donkere velden observeren elkaar bijna overlappen. Aan de andere kant, slechts een deel van S. aureus cellen werden gekleurd door de CD's. Bovendien waren de bacteriële celdichtheden kleiner door de behandeling van CDF's, wat neerkomt op CDF's gedesinfecteerd S. aureus efficiënter in vergelijking met cd's bij dezelfde doseringen. Deze resultaten laten ook zien dat CDF's kunnen worden gebruikt als alternatieve kleurstoffen voor het in beeld brengen van verschillende bacteriële cellen.

Beeldvorming van S. aureus door de opname van cd's en cdf's na 12 u