Biogene Au@Ag kern-schil nanopartikelen gesynthetiseerd met Rumex hymenosepalus extract voor antimicrobiële toepassingen

Samenvatting

In dit werk gebruikten we een sequentiële synthetisemethode voor goud-zilver bimetallische nanopartikelen met kern@schil structuur (Au@AgNPs). Rumex hymenosepalus wortel extract (Rh), dat een hoge inhoud aan catechinen en stilbenen vertoont, werd gebruikt als reducerend middel in de nanopartikelsynthese. De grootteverdeling verkregen door Transmissie Elektronen Microscopie (TEM) geeft een gemiddelde diameter van 36 ± 11 nm voor Au@AgNPs, 24 ± 4 nm voor goud nanopartikelen (AuNPs) en 13 ± 3 nm voor zilver nanopartikelen (AgNPs). De geometrische vormen van de NPs waren voornamelijk quasi-sferisch. De dikte van de zilver schil over AuNPs is ongeveer 6 nm en bedekt door actieve biomoleculen op het oppervlak. Nanopartikels karakterisatie omvatte hoge-hoek annulaire donkere veld beelden (HAADF) opgenomen met een scanning transmissie elektronenmicroscoop (STEM), Energie-Dispersieve Röntgenspectroscopie (EDS), Röntgendiffractie (XRD), UV-Vis Spectroscopie, Zeta Potentieel, en Dynamische Lichtverstrooiing (DLS). Fourier Transform Infrarood Spectrometer (FTIR) en Röntgen Foto-elektron Spectroscopie (XPS) tonen aan dat nanopartikels gestabiliseerd worden door extractmoleculen. Een groeikinetiekstudie werd uitgevoerd met het Gompertz-model voor micro-organismen blootgesteld aan nanomaterialen. De resultaten tonen aan dat AgNPs en Au@AgNPs de lagfase en groeisnelheid van Escherichia coli en Candida albicans op een dosis-afhankelijke manier beïnvloeden, met een betere reactie voor Au@AgNPs.

Inleiding

In de afgelopen 25 jaar zijn verschillende chemische methoden bestudeerd voor nanomateriaal synthese; de meeste van deze methoden gebruiken echter stoffen die onvriendelijk zijn voor het milieu en gebruiken hoge temperaturen of dure apparatuur. In dit werk voerden we de synthese van goud-zilver nano-structuren uit met behulp van de groene synthetisemethode. Deze methode minimaliseert vervuiling vanaf het begin. Door "schone" processen te gebruiken, de meeste afvalstoffen en het gebruik van gevaarlijke verontreinigende stoffen te vermijden bij het ontwikkelen van "schone" nanomaterialen die geen bedreiging vormen voor de gezondheid of het milieu.

Groene synthese van metaal nanopartikels zoekt een positieve invloed van de interactie met biologische systemen, wat betekent dat nanopartikels en hun zelf-functionaliserings met polyfenolmoleculen biologische interacties genereren die compatibel zijn met systemen zoals cellen en macromoleculen. In het algemeen worden deze biologische interacties gebruikt als nanomedicijnen voor ziekten zoals kanker, diabetes en zenuwafwijkingen. De synthese van zilver (schil) en AuNPs als een kern-schil systeem heeft toepassingen zoals optische diagnostische sensoren, moleculaire sensoren, fotothermale therapieën, antimicrobiëlen en verbetert het katalytische proces vergeleken met monometallische NPs.

In het bijzonder worden sequentiële of simultane methoden in verschillende reactoren, chemische en fysische methoden gebruikt voor de bimetallische synthese: ultrasonische spuitpyrolyse, een sonochemische methode, een microfluïdische chip, sequentiële nanofluïdische nanoprecipitatie, microemulsies, liposomen, reducerende middelen zijn chemisch of groen-chemisch van aard.

Droge materialen worden gebruikt in nanopartikelsynthese als metaaloxiden, koolstofnanobuizen, andere gebruiken geprint zachte elektronische apparaten. Natte, nanopartikels gebruikt op biologische systemen, medicijndragers, antimicrobiëlen, sensing toepassingen en Computationele nanotechnologie is een moderne classificatie gebruikt om toepassingen te definiëren.

Khatami et al. hebben de groene synthese met planten van kern@schil-type nanopartikels beoordeeld, in het bijzonder werden Antigonon leptopus, Diopyros kaki, Azadirachta indica, Potamogeton pectinatus, Anacadium oceidentale gebruikt voor de synthese van Au@Ag nanopartikels met grootte tussen 5 en 500 nm (a), getest voor verschillende toepassingen (niet-antibacterieel), en Asparagus racemosus Wortel Extract werd gebruikt voor de synthese van Au-Ag legering nanopartikels waarbij een MIC van 480 µg/mL gevonden werd getest in Escherichia coli, Bacillus subtilis, Klebsiella pneumonia, Pseudomonas aeruginosa, en Staphylococcus aureus. Au@Ag NPs verkregen door chemische synthese hebben toepassingen als antibacterieel, en de gerapporteerde MIC is rond 2,5 µg/mL voor zilverinhoud (schil), Lu et al. rapporteerden een chemische synthese van Au/AgNPs@Van geproduceerd met NaBH₄ en toevoeging van Vancomycine en MIC was 60 nmol/mL voor bimetallische nanopartikels getest in gram-positieve en negatieve bacteriën.

Antibacteriële eigenschappen van bimetallische nanomaterialen verbeteren als functie van de concentratie van Ag. Integenstelling, een toename in Au concentratie verlaagt de antibacteriële eigenschappen maar vermindert het cytotoxische effect, nl. het bimetallische materiaal wordt meer biocompatibel. Vergelijking van het effect van Au en Ag monometallische materialen met bimetallische materialen heeft aangetoond dat een synergistisch effect optreedt tussen bimetallische materialen, genererend bifunctionele effecten.

Nanomaterialen functionalisering heeft bijzonder belang aangezien de chemische omgeving (pH, aanwezigheid van zwavel, biocompatibele moleculen, etc.) rondom het systeem effecten zal hebben op de interactie met cellen of micro-organismen; daarom de nadruk op het genereren van biomaterialen met groene chemie.

De chemische samenstelling van de bimetallische deeltjes zal een bepalende factor zijn in hun optische eigenschappen, dankzij het synergistische effect van monometallische nanostructuren.

In dit werk werden goud en zilver nanopartikels gesynthetiseerd met als reducerend middel een Rumex hymenosepalus extract, wat een plant is die stilbenen en catechinen moleculen bevat die krachtige antioxidanten zijn in het reduceren van metaalionen. Goud nanopartikels werden gebruikt als kernen om bimetallische nanopartikels kern@schil type Au@Ag te verkrijgen via een sequentiële synthetisemethode. De karakterisatie van nanomaterialen omvat de technieken van HAADF-STEM, TEM met EDS en HRTEM.

Met de verschillende typen gesynthetiseerde nanopartikels werd een vergelijkende studie uitgevoerd op de groeidynamica van de bacteriën E. coli en S. aureus en de gist Candida albicans.

Experimentele sectie

Materialen

De wortels van Rumex hymenosepalus werden verkregen in een commercieel etablissement van de lokale gemeente. Beide precursors HAuCl₄ en AgNO₃ voor nanopartikelsynthese werden gekocht van Sigma-Aldrich met een zuiverheid van 99%. Brain Heart Infusion (BHI) Bouillon en Potato Dextrose Bouillon (PDB) gebruikt voor micro-organisme assays werden verkregen van Sigma-Aldrich. Ethanol (99% zuiver) gebruikt in het reinigingsproces van nanopartikels werd verkregen van Fermont, en ultrazuiver water (milli-Q) werd gebruikt in experimenten.

Rumex hymenosepalus Extract

Voor extractbereiding werden 150 g wortel in plakken gesneden en vooraf gedroogd gemacereerd in 1000 mL van een 70/30 V/V ethanol/water mengsel. De maceratie werd uitgevoerd bij kamertemperatuur in een glazen container met een hermétique dop en beschermd tegen licht. De absorbantie van de verkregen oplossing werd 21 dagen lang gemonitord totdat er geen veranderingen in de waarde waren. Op dit moment werd het maceratieproces als voltooid beschouwd. Het verkregen extract werd successief gefilterd met Whatman papierfilters met poriën van 8 µm en 2 µm en ten slotte met een acrodisc filter van 0,22 µm. Ethanol werd verwijderd door rotavaporatie, en het waterige extractconcentraat werd bevroren bij -80 °C voor lyofilisatie (Labconco, FreeZone 1L). De verkregen poeders werden bewaard in steriele containers beschermd tegen licht bij kamertemperatuur tot gebruik.

Synthese van AuNPs

Eerst werd een Rumex hymenosepalus waterige oplossing bereid bij 10 mg/mL uit het lyofiliseerde extract. Later werd 16 mL van de Rumex oplossing gemengd met 32 mL ultrazuiver water, onder roeren op 1000 rpm en langzaam 16 mL HAuCl₄ (0,01 M) toegevoegd. De reactie werd gedurende één uur onder laboratoriumverlichtingsomstandigheden en bij kamertemperatuur gehouden. De intensiteit van de oppervlakteplasmonresonantie (λ_SPR = 540 nm) werd in de loop van de tijd geëvalueerd door UV-Vis spectroscopie; toen geen verandering meer waargenomen werd, werd de synthese als compleet beschouwd. Het verkregen product werd gecentrifugeerd bij 12.000 rpm, het supernatant werd vervangen door ultrazuiver water, en een sonicatieproces werd 1 uur toegepast om nanopartikels te redisperseren. De procedure werd drie keer herhaald. Water werd als oplosmiddel gebruikt bij de eerste twee keren en ethanol bij de laatste. Ten slotte werd de ethanoldispersie gecentrifugeerd en de neerslag gedroogd in een convectieoven bij 40 °C om een AuNPs waterige dispersie van 2300 µg/mL te bereiden.

Synthese van Au@AgNPs

Voor Au@AgNPs synthese werden 2 mL van de AuNPs waterige dispersie (2300 µg/mL), 0,8 mL AgNO₃ (0,1 M) en 0,8 mL Rumex hymenosepalus oplossing (10 mg/mL) in een steriele glazen cultuurbuis gedeponeerd. Het mengsel werd 3 uur gesonicieerd in een ultrasonische reinigingsbad (Branson, Model 2510). Later werd de inhoud gecentrifugeerd bij 12.000 rpm gedurende één uur, de verkrezen vastestoffen werden hergedispergeerd in ultrazuiver water door sonicatie om een concentratie van 1000 µg/mL te verkrijgen.

Synthese van AgNPs

Om AgNPs te produceren, werd 16 mL extractoplossing (10 mg/mL) gemengd met 64 mL ultrazuiver water en 8 mL AgNO₃ 0,1 M. De reactie werd gedurende één uur uitgevoerd onder laboratoriumverlichtingsomstandigheden bij 25 °C, en de oppervlakteplasmonresonantie (λ_SPR^Ag = 440 nm) werd in de loop van de tijd gemonitord door UV-Vis spectroscopie om de vorming te beoordelen. Het product werd gecentrifugeerd bij 12.000 rpm, het supernatant werd vervangen door ultrazuiver water en sonicatie werd 1 uur toegepast. De procedure werd drie keer herhaald. Water werd als oplosmiddel gebruikt bij de eerste twee keren en ethanol bij de laatste. De ethanoldispersie werd gecentrifugeerd en de neerslag gedroogd in een convectieoven bij 40 °C. Ten slotte werd het verkregen AgNPs poeder hergedispergeerd in ultrazuiver water door sonicatie om een colloidale dispersie van 2000 µg/mL concentratie te genereren.

Karakterisaties

UV-Vis absorptiespectra werden verkregen op een dubbele-bundel PerkinElmer Lambda 45 spectrometer. Een spleet van 0,5 nm werd gebruikt, en spectra werden opgenomen met een snelheid van 480 nm/min in een bereik tussen 200 en 900 nm. Voor de nanopartikels werden 50 µL van het monster en slechts 5 µL voor het extract gebruikt. Het eindvolume werd aangevuld tot 3 mL in de kwartscellen met ultrazuiver water als oplosmiddel.

Zeta potentieel (ζ) van AuNPs, AgNPs en Au@AgNPs werden gemeten met een Zetasizer-Nano ZS (Malvern Instruments, VK). Elk monster werd bij kamertemperatuur (25 °C) in driploop en als functie van concentratie bij 1, 10, 50 en 100 µg/mL voor elk monster gemeten.

DLS voor AuNPs, AgNPs en Au@AgNPs werden gemeten met een Zetasizer-Nano ZS (Malvern Instruments, VK) uitgerust met een 633 nm He-Ne laser. Elk monster werd bij kamertemperatuur (25 °C) in driploop en als functie van concentratie bij 1, 10, 50 en 100 µg/mL voor elk monster gemeten. Polyverspreidingsindex (PDI) werd bepaald uit DLS experimenten met Malvern software via de definitie PDI = (σ/D̄)², waar D de gemiddelde diameter is en σ de standaardafwijking van D. PDI waarden van 0,10 of minder worden beschouwd als hoogst monodispers.

De optische bandkloof E_g werd berekend voor AgNPs, AuNPs, Ag@AuNPs, met behulp van de Tauc-vergelijking om een bandkloof in materialen te bepalen door de volgende relatie:

α = (c/hυ) (hυ - E_g)^{1/n} (1)

waarbij α de absorptiecoëfficiënt van het materiaal is (α = 2,303 A/d waar A de absorbantie is en d de breedte van de cel) en waar E_g de optische energiebandkloof is en hυ de fotonenergie verkregen door een lijn te trekken tussen (αhυ)^n en fotonenergie hυ. Het indexgetal n wordt genomen als 2 voor de toegestane directe band-naar-band overgangen in monsters en kan gemakkelijk geëvalueerd worden met een lineaire fit plot. Hangt af van het type overgang dat waarden 1/2, 2, 3/2 en 3 kan hebben, corresponderend met toegestane directe, toegestane indirecte, verboden directe en verboden indirecte overgangen, respectievelijk.

Monsters AgNPs, AuNPs, Ag@AuNPs en Rh werden geanalyseerd door infraroodabsorptie met een FTIR (PerkinElmer, Inc., Waltham, Spectrum Two). De acquisitieparameters waren: 4 cm⁻¹ resolutie, 16 scans, en tussen 4000 en 900 cm⁻¹ golflengtebereik.

Röntgen foto-elektron spectroscopie assays werden uitgevoerd op een PerkinElmer model PHI 5100, wat een dubbele bron van Mg/Al, 300 W, 15 kV bevat. De Mg Kα emissielijn met de energie van 1253,6 eV werd gebruikt voor AgNPs, AuNPs, Ag@AuNPs en Rh. Alle experimenten werden onder vacuümomstandigheden van 2 × 10⁻⁹ Torr uitgevoerd. Data werden geanalyseerd met Multipak software. Voor XPS karakterisatie werden de verschillende nanopartikeldispersies en de Rumex hymenosepalus extractoplossing gedeponeerd op schone dekkerslipjes als volgt. 30 µL van het monster werd aan het dekkerslipje toegevoegd zodat het volledig kon drogen voor de volgende depositie. Het proces werd ten minste 5 keer herhaald tot een dunne film gevormd was en daarna gekarakteriseerd door XPS.

Hoog-Hoek Annulaire Donker Veld-Scanning Transmissie Elektronen Microscopie (HAADF-STEM) kan beschouwd worden als een krachtige operatiemodus in elektronenmicroscopie, wat een grote hoeveelheid complementaire informatie geeft die de structuur van een nanomateriaal verheldert. Aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM kan met atomaire resolutie de posities van atomen van verschillende chemische aard bepalen. Dit is te danken aan aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM, bekend om zijn chemische gevoeligheid en hoge ruimtelijke resolutie. In deze operatiemodus is de incoherente afbeelding dominant met een verwaarloosbare bijdrage van diffractiecontrast. Dus, atoomnummer contrast (Z-contrast) in aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM stelt ons in staat om de structurele details van nanostructuren met grote precisie te bepalen.

Voor STEM analyse werden monsters geanalyseerd in een JEOL-JEMARM200 elektronenmicroscoop werkend bij 200 kV, met een CEOS-corrector voor de condenserlens. Z-Contrast STEM beelden werden simultaan in zowel BF en HAADF modi opgeslagen. Beelden werden opgeslagen met een 40-micron condenserlens opening (32-36 mrad convergentiehoek) en een spotgrootte van 9 pA.

Voor elektronenmicroscopie analyse werd een druppel (10 µL) van Au@AgNPs suspensie gedeponeerd op een 300-mesh dik koolstofrooster, gedroogd tot kamertemperatuur, en in een vacuümkamer geplaatst voor 24 uur.

Nanopartikels werden geanalyseerd door TEM in Jeol 2010F apparatuur (1,9 Å resolutie) bij 200 kV. EDS analyse werd gerealiseerd met een QUANTAX 200-TEM Röntgenspectrometer (Bruker) met XFlash 4010 detector. Voor HRTEM analyse werden TEM micrografen opgenomen bij vergrotingen groter dan 100.000x. Interplanataire afstanden van kristalvlakken werden bepaald door digitale micrograafanalyse (3.0 Gatan Versie). Monsterbereiding was vergelijkbaar met die beschreven bovenaan voor STEM analyse.

Data werden verzameld met een Bruker D8 QUEST diffractometersysteem uitgerust met een Multilayer spiegels monochromator en een Cu Kα Microfocus afgedichte buis (λ = 1,54178 Å). Frames werden verzameld bij T = 300 K via ω/φ-scans en vervolgens verwerkt om diffractogrammen van Intensiteit vs. 2Theta te verkrijgen. High Score Plus software werd gebruikt voor ruwe data behandeling en de ICSD poederdiffractiedatabase geassocieerd met software werd geïmplementeerd voor de zoek-match fase-identificatie analyses.

Antibacteriële activiteitsassay

Geteste micro-organismen waren bacteriën Escherichia coli (ATCC 25922), Staphylococcus aureus (ATCC 5538P), en gist Candida albicans geïsoleerd geïnfecteerde urine verzameld van een volwassen mannelijke patiënt met urineweginfectie (onze studie volgt de principes van de Verklaring van Helsinki). Brain Heart Infusion (BHI) en Potato Dextrose Bouillon (PDB) werden gebruikt om inokulum van bacteriën en gist respectievelijk voor te bereiden. Culturen werden overnachten bij 37 °C geïncubeerd. De concentratie in kolonie-vormende eenheden (CFU/mL) per milliliter suspensie werd bepaald door de optische dichtheid te meten met UV-Vis bij 540 nm voor bacteriën, 600 nm voor gist. Suspensies bevattende 4 × 10⁸, 7,8 × 10⁸ en 2,5 × 10⁶ CFU/mL werden gebruikt voor E. coli, S. aureus en C. albicans, respectievelijk. Antimicrobiële activiteit werd getest in 96-putplaten, met vloeibare cultuurmedium toegevoegd met nanopartikels en micro-organisme bij 37 °C. Alle tests werden in driploop uitgevoerd. Absorbantie werd gemeten in een multimode plaatlezer Synergy HTX Biotek, met Gen 5 software. Alle microbiële groeicurven werden uitgevoerd met Origin Lab 8.0 software. Als eerste stap werden 70 µL vers bouillonmedium (BHI of PDB, volgens de bestudeerde micro-organismen) gemengd met nanopartikels bij de vereiste concentratie aan de putten toegevoegd. Later werden 30 µL micro-organisme suspensie aan de putten toegevoegd en gehomogeniseerd met het medium. Het eindvolume op elke put was 100 µL. Na het doseren van het inokulum, werden de 96-putplaten in de bovenstaande spectrophotometer gelezen. Platen werden bij 37 °C bewaard gedurende 24 uur, met een circulaire schudmodus voor elke meting met een periode van 15 minuten elk. De groeisnelheid van micro-organismen werd bepaald door optische dichtheidsmeting (OD) bij de genoemde golflengte.

Groeicurven geanalyseerd door het Gompertz-model

Het is in de literatuur bekend dat het Gompertz-groeimodel de groei van micro-organismepopulaties goed beschrijft. Dit model stelt ons in staat om twee cruciale parameters in de beschrijving van de groei van de micro-organismepopulatie te begrijpen: de adaptatiefase (lagfase) en de populatiegroeisnelheid. In het bijzonder is het bestuderen van het gedrag van de lagfase in inhibitieve behandelingen van micro-organismen relevant omdat het informatie geeft over de adaptatieve reacties van het micro-organisme op de behandeling en zelfs aanwijzingen kan geven over de ontwikkeling van resistentie van het micro-organisme tegen de geëvalueerde behandeling.

y = A exp { - exp [ (μ e / A) (λ - t) + 1 ] } (2)

waarbij A het celtaal is uitgedrukt als OD_540 (S. aureus en E. coli) en OD_600 (C. albicans), μ de groeisnelheid is in de exponentiële fase en e de exponentiële e¹, λ de lagfase is. We hebben onze groeikinetiek aangepast met een software Origin 9.1 om de effecten over S. aureus, E. coli en C. albicans van de drie agenten AuNPs, AgNPs en Au@AgNPs te analyseren.

Effect van nanopartikels op E. coli, S. aureus en C. albicans groei

Escherichia coli en Staphylococcus aureus werden geïnoculeerd in BHI-medium, en C. albicans werd geïnoculeerd in PD-bouillon. Alle culturen werden overnachten bij 36 °C geïncubeerd. Na incubatie werden de drie culturen aangepast aan absorbantie van 1, 0,7 en 1, respectievelijk (λ = 540 nm). AuNPs, AgNPs en Au@AgNPs werden aangepast aan een concentratie van 50 µg/mL. In een 96-microwellplaat werden aangepaste culturen blootgesteld aan nanopartikels in een verhouding 7:3, bereikend een eindvolume van 200 µL per microwell. Ook werden aangepaste culturen blootgesteld aan gesteriliseerd water als controleconditie in de eerder beschreven omstandigheden. Andere gebruikte controles voor dit experiment waren vers media en elke nanopartikeloplossing zonder micro-organismen. Escherichia coli, Staphylococcus aureus en Candida albicans werden blootgesteld aan AuNPs, AgNPs en Au@AgNPs, respectievelijk. De microwellplaat werd bij 36 °C geïncubeerd, en een monster van elk micro-organisme in behandelings- en controlecondities werd verkregen op 1, 7, 13 en 19 uur. Verzamelde monsters werden gedilueerd in seriële 1:10 zoutoplossing en uitgestreken over Müeller-Hinton platen oppervlak. Geïnoculeerde platen werden 24 uur bij 36 °C geïncubeerd. Na incubatie werden CFU/mL berekend met directe telling.

Minimale Bactericide Concentratie (MBC) Bepaling

Staphylococcus aureus, Escherichia coli en Candida albicans werden elk geïnoculeerd in Müeller-Hinton bouillon geïncubeerd overnachten bij 36 °C en aangepast aan 0,5 McFarland Nefelometer. Eenmaal inokula aangepast voor Minimale Remmende Concentratie (MIC) bepaling, werd een microverdunningstest uitgevoerd. Kortweg, een 96-putplaat werd hiervoor gebruikt. 160 µL van een aangepaste cultuur van elk micro-organisme werd in 5 putten gegoten. Oplossingen van AuNPs, AgNPs en Au@AgNPs van 1000 µg/mL werden bereid. Vorige oplossingen werden gebruikt voor het bereiden van 750, 500 en 250 µg/mL oplossingen. Zuiver gesteriliseerd water werd gebruikt als 0 µg/mL nanopartikels, en 40 µL van elke vorige oplossing werd toegevoegd aan 160 µL van aangepaste culturen. Op deze manier werd elke cultuur blootgesteld aan een eindconcentratie van 200, 150, 100, 50 en 0 µg/mL van elk geteste nanopartikel. De microplaat werd 24 uur bij 36 °C geïncubeerd. Daarna werd een monster van elke put geïnoculeerd op een oppervlak van Müeller-Hinton en geïncubeerd in de eerder beschreven omstandigheden. Na incubatie werden Müeller-Hinton platen geobserveerd op zoek naar elk groeisignaal. De concentratie waar geen groeisignalen waargenomen werden, werd vastgelegd als MBC waarde.

Resultaten en Discussies

Karakterisatie

Figuur 1a toont de UV-vis absorptiespectra van de gesynthetiseerde nanomaterialen. De absorbanties zijn genormaliseerd voor het maximum gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) corresponderend met elk nanopartikelsysteem.

Au@AgNPs absorptiespectrum in Fig. 1a heeft een enkele band gecentreerd op 474 nm, wat ligt tussen de AgNPs LSPR (445 nm) en de AuNPs LSPR (544 nm). De afwezigheid van een goud-achtige absorptiepiek op Au@AgNPs suggereert dat de verkregen nanomaterialen door sequentiële synthese kern@schil structuren zijn. Het is niet mogelijk om een absorptieband te detecteren die geassocieerd is met Au behorende tot de kern. Sommige auteurs veronderstellen dat voor kern@schil systemen, de absorptiespectra samengesteld zijn uit twee banden geassocieerd met elk van de metalen voor schildikten tussen 3 en 4 nm. De absorptie geassocieerd met het metaalkern verdwijnt voor hogere diktes, wat resulteert in een enkele absorptieband waar de maximumlocatie afhangt van de dikte/kern grootte verhouding van het bimetallisch deeltje.

Samal et al. synthetiseerden kern@schil nanopartikels (Au@Ag) door de kern-grootte te controleren en verschillende schildikten toe te voegen. In het bijzonder komt ons UV-vis resultaat voor Au@AgNPs overeen met dat gerapporteerd door Samal et al. voor 32 nm goudkernen en een zilverdikte groter dan 15 nm, waar spectra gekarakteriseerd worden door een enkele absorptieband (~ 450 nm) en de onderdrukking van Au oppervlakteplasmonen wordt waargenomen.

Bovendien kan in Fig. 1a absorptie gecentreerd op 280 nm (in het blauw gemarkeerde gebied) worden waargenomen, corresponderend met moleculen uit het Rumex hymenosepalus extract gebruikt als reducerend middel in onze nanopartikelsynthese. Aanvullend bestand 1: Figuur S1 correspondeert met Rumex hymenosepalus waterige oplossing absorptiespectrum. Een kenmerkende band gecentreerd op 278 nm wordt waargenomen, geassocieerd met de elektronische overgangen van de aromatische ringen geconjugeerd met de carbonylgroepen van polyfenolische verbindingen. Deze absorptieband in de nanopartikels UV-Vis spectra geeft aan dat de eindproducten extractmoleculen bevatten die in ze blijven. Rivero-Cruz et al. hebben vier stilbenoïden, twee flavan-3-olen en drie anthrachinonen geïsoleerd uit R. hymenosepalus en Rodríguez-León et al. hebben een kernmagnetische resonantie studie uitgevoerd om te bepalen dat Rumex hymenosepalus belangrijke moleculen bevat als stilbeen glycoside en epicatechine gallate en epigallocatechine gallate. Deze moleculen participeren als reducerende middelen in nanopartikelsynthese. Het proces omvat de deprotonering van sommige -OH groepen van fenolische ringen om = CO groepen te vormen. Polyfenolische moleculen worden geoxideerd en de vrijgekomen elektronen worden overgedragen aan Ag⁺ en Ag³⁺ ionen om Au⁰ en Ag⁰ te vormen.

Figuur 1b toont de Zeta potentieel waarden corresponderend met AuNPs, AgNPs en Au@AgNPs bij concentraties van 1, 10, 50 en 100 µg/mL. Nanopartikels zijn gedispergeerd in ultrazuiver water en meting werd in driploop uitgevoerd bij 25 °C. In het algemeen vertonen nanopartikels over het gehele concentratiebereik zeta potentieel waarden negatiever dan -30 mV, bereikend waarden van -40 mV bij een concentratie van 100 µg/mL voor AuNPs en Au@AgNPs en -38 mV voor AgNPs. Deze hoog negatieve Zeta potentieel waarden duiden erop dat nanopartikels afstotende interacties tussen hen ervaren die hun aggregatie voorkomen en de langetermijn stabiliteit van metaalcolloïden toestaan. Door de UV-Vis spectroscopieresultaten te correleren met de verkregen Zeta potentieel waarden, kunnen we vaststellen dat de hoog negatieve waarden kunnen zijn te wijten aan het complexeren van polyfenolische moleculen van het extract op het nanopartikels oppervlak.

Voor biologische toepassingen is het waardevol om nanopartikels populaties met monodisperse grootten te verkrijgen, dus Fig. 1c en d tonen de DLS waarden corresponderend met gemiddelde diameter en polyverspreidingsindex (PDI) voor AuNPs, AgNPs en Au@AgNPs bij concentraties van 1, 10, 50 en 100 µg/mL. De gemiddelde diameter van Au@AgNPs is rond 250 nm en blijft constant als functie van concentratie, op een vergelijkbare manier voor monometallische nanopartikels met een gemiddelde diameter rond 122 en 135 nm voor AuNPs en AgNPs, respectievelijk. In hetzelfde geval observeren we dat PDI waarden rond 0,3 zijn voor monometallische nanopartikels en 0,2 voor Au@AgNPs. Deze resultaten, waar de grootten niet variëren met de concentratie, duiden erop dat de verschillende nanopartikelsystemen goede stabiliteit vertonen met een matige polyverspreiding van grootten (0,3 ≥ PDI ≥ 0,2).

De optische bandkloof van Tauc-plot werd berekend (Aanvullend bestand 1: Figuur S2). Geleidingband door halfgeleider materialen hebben waarden E_g < 3 eV, als referentie germanium heeft E_g < 0,7 eV en silicium is E_g = 1,1 eV. In ons geval is de bandkloof voor Au@AgNPs, AuNPs en AgNPs 1,93 eV, 2,03 eV en 2,33 eV, respectievelijk. Dit betekent dat deze materialen als halfgeleiders worden beschouwd, en dit kenmerk werd verkregen voor de kwantumbeperkingseffecten die een verhoogde energiekluif produceren, zodat nanomaterialen gebruikt kunnen worden als sensoren, batterijen en opto-elektronische apparaten.

Om te bepalen of organische verbindingen aanwezig zijn in nanopartikels, werden deze nanomaterialen gekarakteriseerd door XPS en FTIR. Figuur 2a toont de overzichtsspectra van het plantenextract en nanopartikels. Zoals te zien is, vertonen alle nanopartikelsystemen de karakteristieke signalen geassocieerd met de elementen koolstof (C 1s, 284,6 eV) en zuurstof (O 1s, 532,2 eV) uit het Rumex hymenosepalus extract. Dit resultaat bevestigt dat organische moleculen uit extract aanwezig zijn in de verkregen nanomaterialen. Bovendien werden hoge-resolutie XPS spectra verkregen om de oxidatietoestanden van zilver en goud in de nanopartikels te analyseren (Aanvullend bestand 1: Figuur S3). Voor AgNPs (Aanvullend bestand 1: Figuur S3A), de signalen bij bindingsenergieën van 373,76 eV en 367,76 eV (ΔBE = 6,0 eV) corresponderend met de 3d3/2 en 3d5/2 spectrale lijn kunnen geassocieerd worden met Ag⁰ (metallisch zilver). Voor AuNPs (Aanvullend bestand 1: Figuur S3B), de piek geassocieerd met 4f5/2 spin-baan koppeling is gelegen op bindingsenergie 87,65 eV. Voor 4f7/2, spin-baan koppeling piek is gelegen op 83,98 eV. De verhouding van intensiteiten (I4f7/2 > I4f5/2), locatie en scheiding tussen pieken (ΔBE = 3,67 eV) bevestigen dat goudionen (Au³⁺) volledig gereduceerd zijn tot metallisch goud Au⁰. Voor Au@AgNPs, hoge-resolutie XPS spectra corresponderend met zilver en goud worden getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur S3C en Figuur S3-D, respectievelijk. Deze spectra tonen hetzelfde gedrag als hun monometallische tegenhangers. Dit geeft aan dat zowel zilver als goud nul-waarde zijn in de kern@schil presentatie.

FTIR in Fig. 2e toont op 3296 cm⁻¹ hydroxyle groepen, 2974 cm⁻¹ (C-H) binding van de aromatische ring, 1689 cm⁻¹ geassocieerd met carbonylgroep rek (C=O), en 1689-1400 cm⁻¹ door carboxylaat binding (C-O) en rek koolstof-koolstof binding en 1212 cm⁻¹ geassocieerd met fenol C-O rek geconjugeerd met AuNPs, 1049 cm⁻¹ C-O rek modus van de catechine ester groep moleculen en 799 cm⁻¹ de buiging uit het vlak in het fenol, C-H buiging gerapporteerd op 964,4 en 829,39 cm⁻¹ kenmerk van resveratrol verschoven in Rh extract naar 1031 en 867 cm⁻¹, respectievelijk, en AuNPs, AgNPs en Au@AgNPs zijn ook verschoven wat indicatief is voor complexatie van polyfenolische moleculen van Rh extract met nanopartikels.

Figuur 3a correspondeert met een representatieve helder-veld STEM micrograaf van het Au@AgNPs systeem bij lage vergroting (100 nm schaalbalk). Een set nanopartikels zonder agglomeratie en met voornamelijk quasi-sferische geometrie kan worden gezien. Hetzelfde gebied wordt in donker veld (HAADF) in Fig. 3b getoond, en de kern@schil structuur kan worden waargenomen, waar we Au-kern er intenser uitziet dan Ag-schil, door het verschil in atoomnummer. Figuur 3c en d correspondeert met STEM hogere vergroting micrograaf (schaalbalk 20 nm) van een nanopartikelsgroep van systeem kern@schil in helder en donker veld, respectievelijk. Kan met helderheid fel Au-kern en Ag-schil licht gecontrasteerd waargenomen worden. Deze afbeeldingen tonen aan dat de dikte van de Ag-schil varieert tussen 3 en 5 nm. Aanvullend bestand 1: Figuur S4 correspondeert met een individuele afbeeldingen galerie waar uniformiteit van Ag-schil waargenomen kan worden.

Figuur 4a, c en e correspondeert met micrograaf TEM van representatieve nanopartikelsystemen AuNPs, AgNPs en Au@AgNPs, respectievelijk. In alle gevallen hebben nanopartikels sferoïde morfologie en worden goed gescheiden van elkaar getoond. Dit kan worden verklaard door de extractmoleculen op nanopartikels oppervlakken, die fungeren als spacers tussen hen. Figuur 4b, d en f toont histogrammen corresponderend met grootteverdeling verkregen door TEM en uitgevoerd met 500 nanopartikels verzameld uit 15 tot 20 micrografen voor elk nanomateriaal. Het histogram presenteert Gaussiaanse verdeling met een gemiddelde grootte van 24 ± 4 nm (AuNPs), 13 ± 3 nm (AgNPs) en 36 ± 11 nm (Au@AgNPs). De discrepantie in waarden tussen DLS en TEM metingen met grootteverdelingsgrafiek is te wijten aan micro-omgevingsomstandigheden rond de nanopartikels, terwijl DLS een diameter toont voor een systeem dat metaal, gehydrateerde coating en oplosmiddel omvat, is de meting in TEM een droog systeem waar de meting over metaal alleen is, in het bijzonder, in DLS de moleculen gebruikt voor complexatie van nanopartikels (reducerende middelen en stabilisatoren) zijn dispersanten die fouten in grootte-meting induceren en de resultaten naar hogere waarden verschuiven.

Figuur 5 correspondeert met de Au@AgNPs HAADF-STEM micrografieken. Een enkel nanopartikeltje wordt getoond in Fig. 5a met een goudkern en zilverbedekking perfect afgebakend, het atoomnummer (Z) verandert door de interface Au@Ag, intensiteitsvariaties kunnen gekwantificeerd worden door HAADF-STEM.

Het rode vierkante gebied wordt vergroot om een HRTEM micrografie van de schilportie te verkrijgen (Fig. 5b), en daarna om de kristallijne schilstructuur te verifiëren, werd de nanopartikelsperiferie regio geanalyseerd (onderbroken vierkant) met de Digital Micrograph 3.0 software (Gatan). Snelle Fourier Transformatie (FFT) afbeelding van de geselecteerde regio werd verkregen (Fig. 5c). Met behulp van de Inverse Snelle Fourier Transformatie was het mogelijk om interplanataire afstanden van 2,3 Å, 2,0 Å en 1,4 Å in Fig. 5d te schatten. Deze afstanden kunnen respectievelijk toegewezen worden aan de kristallijne vlakken (111), (200) en (220) van kubisch vlakgecentreerd (fcc) zilver volgens de Inorganic Crystal Structure Database (ICSD) bij het FIZ Karlsruhe-Leibniz Instituut voor Informatiestructuur, Duitsland of de elektronenkristallografie software Jems (V 4-5430, JEMS-SAAS, Zwitserland). Een vergelijkbare analyse van kristalstructuur door HRTEM werd uitgevoerd voor monometallische nanopartikels geïllustreerd in Aanvullend bestand 1: Figuren S5 (voor AuNPs) en S6 (AgNPs). In beide gevallen correspondeert de kristalstructuur met kubisch vlakgecentreerd (fcc).

EDS chemische analyse toont de aanwezigheid van beide metalen voor een groep bimetallische Au@AgNPs waargenomen door TEM (Fig. 6a) in verhoudingen van het atoomgewicht percentage 77% van Ag (schil) en 23% van Au (kernen) (Fig. 6b). In vergelijking, een enkel bimetallisch (Fig. 6c) Au@AgNPs heeft verhoudingen rond 80% van Ag (schil) en 20% van Au (kern) (Fig. 6d). Om het goud en zilver atoompercentage op kern@schil nanopartikels (Au@Ag) te schatten, werd een quasi-sferische geometriebenadering van nanopartikelsmorfologie overwogen. De AuNPs gemiddelde diameter verkregen uit TEM grootteverdeling (D̄_Au = 24 nm) werd gebruikt voor kernvolume schatting (V_Au), en Au@AgNPs gemiddelde diameter (D̄_Au@Ag = 36 nm) voor kern@schil volume schatting (V_Au@Ag). Dus, schilvolume wordt bepaald als V_Ag = V_Au@Ag - V_Au. Totale atoominhoud van Au en Ag werd berekend rekening houdend met een fcc kristallijne structuur (4 atomen per eenheidscel) voor beide metalen waar de Au en Af roosterparameters 4,0783 Å en 4,0862 Å zijn, respectievelijk. Atoominhoudschatting door deze procedure is 70% voor Ag (Schil) en 30% Au (Kern), wat verschilt met 10% ten opzichte van de meting verkregen door EDS. Figuur 7 toont een theoretische schatting van zilver en goud inhoud en hoe het varieert als de dikte van de schil toeneemt en de grootte van de kern constant blijft (D̄_Au = 24 nm). Het wordt waargenomen dat voor Au@AgNPs met een diameter groter dan 30,2 nm, de atoomgehalte van zilver de inhoud van goud overschrijdt. In Aanvullend Materiaal wordt een gedetailleerde beschrijving van berekening uitgevoerd om atoomgehalte percentages te verkrijgen. Vergelijkbare schattingen van atoompercentages werden uitgevoerd rekening houdend met andere Au-kern diameters en varierende Au@AgNPs diameter (Aanvullend bestand 1: Figuur S7A-B).

Figuur 8 correspondeert met XRD patronen voor AuNPs en AgNPs alsook bimetallische Au@AgNPs. Alle gesynthetiseerde producten hebben fcc kristalstructuur zoals eerder gerapporteerd in de karakterisatie door elektronenmicroscopie. Pieken voor Au@AgNPs zijn gelegen bij 2θ diffractiehoeken van 38,25°, 44,4°, 64,9°, 77,85° en 81,25°. Zoals te waarderen in de figuur, worden de AgNPs en AuNPs diffractiepieken in de dezelfde genoemde posities gevonden met een verschil van ± 0,5°. Dit is omdat Au en Ag zeer vergelijkbare roosterconstanten hebben, zodat hun diffractiepatronen voor fcc kristalstructuur bijna identiek zijn. Op deze manier worden de diffractiepieken in Fig. 8 respectievelijk toegewezen aan de kristallijne vlakken (111), (200), (220), (311) en (222) van de goud en zilver fcc structuur door JCPDS: 4-0783 en 4-0784.

Antimicrobiële activiteit

Monometallische (AgNPs, AuNPs) en bimetallische (Au@AgNPs) materialen werden getest op vier verschillende concentraties: 1, 10, 50 en 100 μg/mL. Geselecteerde micro-organismen om antimicrobiële activiteit te evalueren waren gist Candida albicans, Gram-positieve bacteriën S. aureus en Gram-negatieve bacteriën E. coli. Groeikinetiekcurven in een tijdsverloop van 24 uur worden getoond in Fig. 9.

Candida albicans

AuNPs tonen geen effect op groeikinetiek tot 10 uur (Fig. 9a), variërend op een dosis-afhankelijke manier de absorbantie bereikt op 24 uur. Interessant genoeg, met 50 µg/mL of meer, toont de groeikinetiek een steile negatieve helling van 10 uur tot een reductie van 45% op 24 uur, wat een antifungaal effect van deze materialen suggereert. Dit kan worden toegeschreven aan de capaciteit van goud nanopartikels om te interageren met relevante eiwitten aanwezig in schimmels zoals H⁺-ATPase, wat de protonenpompactiviteit beïnvloedt. Dit verzwakt de capaciteit van gist om nutriënten op te nemen, wat zijn dood veroorzaakt. In Fig. 9b en c werd waargenomen dat AgNPs en Au@AgNPs de groei van de gist Candida albicans remmen vanaf 10 µg/mL. De bepaling van de MIC₅₀ concentratie voor beide materialen werd geschat van de dosis-responscurve getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur S8. MIC₅₀ is gedefinieerd als de concentratie nanopartikels die een 50% afname in absorbantie produceert ten opzichte van de controle (gist zonder behandeling). Voor AgNPs en Au@AgNPs waren MIC₅₀ 2,21 µg/mL en 2,37 µg/mL, respectievelijk.

Echter, volgens de EDS resultaten (Fig. 9b), is de zilverinhoud in Au@AgNPs 64,85% massa. Dus de concentratie van zilver in Au@AgNPs voor MIC₅₀ is 1,53 µg/mL, 30% lager dan in het geval van AgNPs. Padmos et al. hebben aangetoond dat zilver nanopartikels belangrijke antibacteriële eigenschappen bezitten, maar cytotoxisch zijn door zoogdiercellen; dit effect is verminderd door het gebruik van bimetallische nanopartikels, met name door goud in de kern van bimetallische nanopartikels te gebruiken.

Escherichia coli

In Fig. 9d tonen AuNPs geen significante inhibitie (< 15%) of beïnvloeden de groeikinetiek van E. coli. Voor AgNPs (Fig. 9e) bij lage concentraties blijft de lagfase onveranderd, maar er is een duidelijke afname in groeiverhouding aangegeven door de hellingafname. Bij 50 µg/mL duurt de lagfase tot 16 uur en bereikt de levensvatbaarheid een maximum van 20% op 24 uur. Voor 100 µg/mL wordt een duidelijke losmaking van de groeifase van het micro-organisme niet waargenomen. In Au@AgNPs (Fig. 9f) tonen de eerste twee concentraties geen veranderingen in hun groeifase, maar een fasevertraging van maximaal 2 uur wordt waargenomen vergeleken met de controle. Het is interessant om te noteren dat de lagfase tot 21 uur duurt voor de 50 µg/mL concentratie, ten slotte is er geen expliciet groeigedrag voor de 100 µg/mL concentratie.

Staphylococcus aureus

Een vergelijkende analyse van lagfase hergroei trad op na 12 uur voor Au (Fig. 9g), Ag (Fig. 9h) en Au@AgNPs (Fig. 9i) in het geval van S. aureus bij 50 µg/mL. Voor de hoogste concentratie bij 100 µg/mL is er geen groei van de bacterie. Bovendien observeren we veranderingen in de helling ten opzichte van controle voor Au, Ag en Au@AgNPs bij 1 en 10 µg/mL.

AuNPs interactie met deze Gram-positieve bacteriën zou kunnen zijn door het geladen oppervlak dat een electrostatische interactie veroorzaakt, de membraanstuctuur destabiliserend. Vergelijkbare resultaten, maar met hogere NPs concentraties, worden gerapporteerd voor AuNPs gesynthetiseerd met Ananas comosus vruchtextract als reducerend middel en blauw-groene alge Spirulina platensis eiwit. Yang et al. tonen MIC > 500 µg/mL voor S. aureus (CMCC(B)26003), onze AuNPs hebben inhibitie getoond met 10 keer minder concentratie; in dit geval bestaat een kritische synergie met polyfenolen moleculen op coating en stabiliseren van het oppervlak van nanopartikels. ROS wordt gegenereerd van minder tot hogere intensiteit door AuNPs, polyfenolen (plantenextracten) en AgNPs, dus AuNPs in synergie met resveratrol en epigallocatechine gallate (EGCG) bevorderen antibacteriële reactie over S. aureus had het meest haalbare mechanisme in dit geval. Penders et al. rapporteerden 250 en 500 µg/mL van AuNPs-achtige antibacteriële middelen over S. aureus verhogen de bacteriegroeilagtijd en antibacterieel effect.

We geloven dat inhibitie wordt veroorzaakt door AgNPs accumulatie en diffusie op bacteriën gerelateerd aan NPs oppervlakteladingen die electrostatische interacties bevorderen met de bacterie's membraan leidend tot hogere penetratie en schade. We denken dat dit een vergelijkbaar mechanisme is beschreven voor interacties tussen E. coli biofilms en AgNPs.

Voor Au@AgNPs zijn de verkregen resultaten vergelijkbaar met die gerapporteerd door andere werkgroepen; echter, verschillende auteurs suggereren dat de inhibitie van de groei van de micro-organismen direct gerelateerd is aan de dikte van de schil. Kern-schil NPs lieten lage cytotoxiciteit zien toen getest in NIH-3T3 fibroblasten cellen (normale zoogdiercellen). Een lagere proportie zilver in de schil van de Au@AgNPs toont vergelijkbare resultaten als AgNPs, en Au-kern potentialiseert antibacterieel effect en minimaliseert de cytotoxiciteit.

Groeicurven geanalyseerd door het gemodificeerde Gompertz-model

Om te weten hoe de groeiverhoudingen (μ) en lagfase (λ) kwantitatief gewijzigd worden, werden de groeicurven van micro-organismen blootgesteld aan verschillende concentraties nanomaterialen (Fig. 10) aangepast door het Gompertz-model (Verg. 2).

In Fig. 10a kan worden gezien dat alle nanomaterialen een afname produceren in de replicatiesnelheid van S. aureus populaties wanneer de concentratie nanopartikels toeneemt. Dit effect resulteert in iets hogere gevoeligheid voor AuNPs. Bij een concentratie van 50 µg/mL is de groeiverhouding slechts 30% ten opzichte van controle (Aanvullend bestand 1: Tabellen S1-S24); bij een concentratie van 100 µg/mL remmen alle materialen de groei van de S. aureus populatie. Het gedrag van de adaptatieve fase voor S. aureus met de verschillende behandelingen wordt getoond in Fig. 10b. Het wordt waargenomen dat er geen significante verschillen zijn in het gebruikte materiaal, en bij 50 µg/mL is de lagfase bijna 5 keer toegenomen ten opzichte van de adaptatieve fase van S. aureus (Aanvullend bestand 1: Tabellen S1-S24). In het algemeen kunnen we stellen dat de verschillende geëvalueerde nanomaterialen in S. aureus de replicatiesnelheid verminderen en de adaptatieve fase uitstellen op een dosis-afhankelijke manier tot inhibitie bij 100 µg/mL.

Figuur 10c toont duidelijk dat AuNPs de groeiverhouding μ van E. coli bacteriën niet beïnvloeden. Terwijl AgNPs een afname produceren over μ, bereikend een minimumwaarde corresponderend met 19% ten opzichte van de controle (μ voor E. coli zonder behandeling) voor 50 µg/mL (zie Aanvullend bestand 1: Tabel S52). In tegenstelling, remmen Au@AgNPs de E. coli groei volledig bij 100 µg/mL. Analyse van het gedrag van E. coli lagfase blootgesteld aan verschillende materialen wordt getoond in Fig. 10d. In dit geval, in tegenstelling tot Fig. 10b, heeft elk materiaal een karakteristieke reactie. Dus, AuNPs genereren geen enkele wijziging in de adaptatieve fase van E. coli, terwijl AgNPs en Au@AgNPs een dosis-afhankelijk effect hebben op de lagfase, het laatstgenoemde materiaal uitstekend. Dus kunnen we stellen dat AuNPs geen apreciabel effect hebben op E. coli bacteriën, en Au@AgNPs de replicatie kunnen remmen en daarmee de lagfase van E. coli onbepaald uitstellen. Interessant genoeg wordt dit effect niet bereikt voor AgNPs ondanks dat de netto zilverinhoud hoger is dan in Au@AgNPs. Dit suggereert dat de kern@schil presentatie van beide metalen een synergie produceert die antimicrobiële activiteit begunstigt. Feng et al. hebben een elektronencompensatieverschijnsel van Au naar Ag in kern-schil en legering structuren gerapporteerd, wat resulteert in verhoogde cytotoxiciteit van nanopartikels maar de antibacteriële eigenschappen behoudt, wat betekent dat een synergie tussen Au en Ag wordt aangenomen, vanwege waargenomen verschillen tussen de monometallische en bimetallische materialen, maar meer onderzoek is nodig.

Figuur 11 toont de resultaten van de directe tellingstudie van kolonies van micro-organismen blootgesteld aan nanomaterialen. In het algemeen reproduceert het gedrag van de micro-organismepopulaties de resultaten verkregen uit de groeikinetiekstudie (Fig. 7a, e, i). Bijvoorbeeld, in Fig. 11a daalt de populatie van micro-organismen (logarithmisch weergegeven) significant alleen op 19 uur waar AuNPs 92% van C. albicans doden. Interessant, voor nanopartikels bevattende zilver (Fig. 11b, c) wordt een duidelijker populatiedaling waargenomen. Au@AgNPs systeem bij 50 µg/mL, remt S. aureus bijna volledig op 7 uur (99,5% van bacteriën gedood) hoewel het micro-organisme zijn groei later heractiveert. MBC bepaling was niet mogelijk voor geteste concentraties (Aanvullend bestand 1: Figuur S9-11), volgens experimentele waarneming zijn hogere concentraties vereist om dit effect te tonen. Echter, voor C. albicans toonden AgNPs een MBC waarde van 50 µg/mL (Aanvullend bestand 1: Tabel S55).

Conclusies

Voor de eerste keer wordt de productie van goud nanopartikels en kern@schil (Au@Ag) gerapporteerd met behulp van een Rumex hymenosepalus wortel extract als reducerend middel. Om Au@AgNPs te verkrijgen wordt een twee-staps sequentiële methode voorgesteld die deeltjes produceert met matige polyverspreiding en homogene zilver schil. Bepaling van de groeicurven en hun parameters verkregen door het Gompertz-model wijzen op verschillende effecten van de nanomaterialen op geëvalueerde micro-organismen. Inhibitieve effecten van AuNPs over S. aureus worden bereikt bij een concentratie van 5 keer minder dan gerapporteerd voor andere AuNPs gesynthetiseerd door verschillende processen. Dit onthult het belang van het gevolgde synthetiseproces en de omgeving op het oppervlak van de nanopartikels. Aan de andere kant produceren AgNPs en Au@AgNPs een grote toename van de lagfase (> 12 uur). Echter, bacteriën kunnen zich aanpassen en hun groei initiëren bij deze sub-inhibitieve concentraties met het consequentie risico van het genereren van resistentie tegen deze nanomaterialen. Dit benadrukt het belang van het uitvoeren van groeikinetiekstudies die een geschikte periode bedekken om een vertraagde groei te verwerpen. Interessant geeft Gompertz-analyse aan dat Au@AgNPs een hoger effect presenteren op de groeikinetiek van micro-organismen dan getoond door monometallische nanopartikels, wat kan worden toegeschreven aan een synergistisch effect van beide metalen op de kern@schil structuur. Bactericide effecten worden alleen bereikt in C. albicans blootgesteld aan AgNPs. Meer experimenten moeten uitgevoerd worden op hogere concentratiebereiken van deze nanomaterialen (> 200 µg/mL) om hun MBC op de bestudeerde micro-organismen te bepalen.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn opgenomen in dit artikel en het aanvullende informatiebestand.

Afkortingen

AuNPs:

Goud nanopartikels

AgNPs:

Zilver nanopartikels

Au@AgNPs:

Goud-zilver bimetallische nanopartikels met kern@schil structuur

DLS:

Dynamische lichtverstrooiing

EDS:

Energie-dispersieve Röntgenspectroscopie

EGCG:

Epigallocatechine gallate

FTIR:

Fourier transform infrarood spectrometer

HAADF:

Hoog-hoek annulaire donker veld beelden

MBC:

Minimale bactericide concentratie

MIC:

Minimale remmende concentratie

Rh:

Rumex hymenosepalus wortel extract

TEM:

Transmissie elektronen microscopie

STEM:

Scanning transmissie elektronenmicroscoop

UV-Vis:

Spectroscopie ultraviolet-zichtbaar spectroscopie

XPS:

Röntgen foto-elektron spectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie