Eine neuartige Methode für ZnO@NiO-Kerne

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5441 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und breiten Palette möglicher Anwendungen haben Kern-Schale-Nanopartikel (NPs) große Aufmerksamkeit erhalten. In diesem Artikel wird eine neuartige Methode zur Synthese von ZnO@NiO-Kern-Schale-Nanopartikeln mithilfe einer Hybridtechnik vorgeschlagen. Die Charakterisierung zeigt die erfolgreiche Bildung von ZnO@NiO-Kern-Schale-Nanopartikeln mit einer durchschnittlichen Kristallgröße von 13,059 nm. Die Ergebnisse zeigen, dass die hergestellten NPs eine hervorragende antibakterielle Aktivität sowohl gegen gramnegative als auch gegen grampositive Bakterien aufweisen. Dieses Verhalten wird hauptsächlich durch die Ansammlung von ZnO@NiO-NPs auf der Bakterienoberfläche verursacht, was zu zytotoxischen Bakterien und einem relativ erhöhten ZnO führt, was zum Zelltod führt. Darüber hinaus verhindert die Verwendung eines ZnO@NiO-Kern-Schale-Materials unter anderem, dass sich die Bakterien im Kulturmedium ernähren. Schließlich ist PLAL eine leicht skalierbare, kostengünstige und umweltfreundliche Methode zur Synthese von NPs, und die hergestellten Kern-Schale-NPs könnten in anderen biologischen Anwendungen wie der Arzneimittelabgabe, der Krebsbehandlung und weiteren biomedizinischen Funktionalisierungen verwendet werden.

Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, die von ihrer Größe abhängen, gelten Nanopartikel derzeit als leistungsstarkes Werkzeug und als effektivster Bereich für Forschungsstudien. Das Präfix „Nano“ steht für zehn Potenzen bis minus neun Potenzen, was als Nanometerskala bezeichnet wird1. Als Nanopartikel werden Partikel mit einem Durchmesser von unter 100 nm bezeichnet. Metallnanopartikel (NPs) haben erhebliche Vorteile in einer Vielzahl von Bereichen, darunter Medizin, Biosensorik, biomedizinische Wissenschaften, Kosmetik, Lebensmittel und Elektronik2,3.

Wissenschaftler und Forscher haben großes Interesse an der Hybridisierung verschiedener Elemente im Nanomaßstab aufgrund ihrer einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften, wie z. B. elektrische, optische, katalytische und thermische4. Diese einzigartigen und neuartigen Eigenschaften resultieren aus der Kombination der Eigenschaften verschiedener Materialien und dem Effekt der Partikelgrößenreduzierung von der Makro- zur Nanostruktur, was zu einer Erhöhung des Oberfläche-Volumen-Verhältnisses und anschließender vollständiger Änderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften führt5,6 ,7.

In den letzten Jahren wurde eine neue Art von Hybrid-NPs namens „Kern-Schale-NPs“ entwickelt, die aus zwei oder mehr Arten einzelner Nanomaterialien bestehen8. Forscher haben herausgefunden, dass die meisten physikalischen Eigenschaften von NPs von ihren nanostrukturierten Oberflächen abhängen, da die Eigenschaften von NPs dazu beitragen, die Anzahl freier Bindungen zu erhöhen, die ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften beeinflussen. Diese Eigenschaften könnten noch weiter gesteigert werden, indem ein Beschichtungsmaterial verwendet wird, um die äußere Hülle dieser nanostrukturierten Form durch chemische Passivierung als anschließenden Reduktionsprozess des Kerns zu erzeugen. Dieser Vorgang wird als „Kern-Schale“-Bildung bezeichnet. Außerdem könnte die Hüllschicht die physikochemischen Eigenschaften des Kernmaterials verbessern, wie etwa seine katalytische Aktivität und nichtlineare Eigenschaften9, was zu neuen, einzigartigen Eigenschaften führen würde, die die Entwicklung in mehreren Anwendungsbereichen beschleunigen könnten10,11.

Das Forschungsinteresse an Zinkoxid (ZnO) hat zugenommen, insbesondere in der Nanotechnologie, um ZnO aufgrund seiner Eigenschaften und Anwendungen im Nanomaßstab zu synthetisieren12,13,14,15. Aufgrund ihrer großen Oberfläche und hohen Kristallinität ist sie bei der Entwicklung möglicher antimikrobieller Arzneimittel sowie in wissenschaftlichen und technologischen Bereichen wie nichtlinearer Optik, elektrischen Geräten, Katalyse und medizinischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung16,17. ZnO-NPs wurden aufgrund ihrer Wirksamkeit gegen pathogenresistente Stämme, ihrer geringen Toxizität und ihrer Hitzebeständigkeit als antibakterielle Wirkstoffe eingesetzt18,19,20. Die Leistung des photokatalytischen Systems des Metalloxidhalbleiters wird durch die Verwendung von Übergangsmetallen wie Fe, Co, Ni und Mn verbessert. Da Nickel den gleichen Wertigkeitszustand und Ionenradius wie andere Übergangsmetalle hat, kann es ihnen zugesetzt werden (als Kern@Schale), um ihre photokatalytische und antibakterielle Aktivität zu erhöhen. Darüber hinaus zeigt es hervorragende photokatalytische und antibakterielle Aktivitäten, wenn es als Kern mit verschiedenen Metalloxiden verwendet wird21,22,23,24. In dieser Arbeit haben wir NiO als Hülle für ZnO gewählt, da NiO die gleichen Eigenschaften aufweist, die in anderen Materialien nicht zu finden sind; Das Wichtigste ist der Übergang durch die Zelle, der ihm die Fähigkeit gibt, das Kernmaterial an den Zellen festzuhalten. Diese Eigenschaft verstärkt die Wirkung des Kernmaterials und eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere im biomedizinischen Bereich und bei Arzneimitteln. Diese Struktur wird erstmals in dieser Arbeit vorgeschlagen.

Es gibt zahlreiche Techniken zur Synthese der Nanopartikel, darunter gepulste Laserabscheidung, Sol-Gel-Herstellung, chemische Kopräzipitation, thermische Zersetzung, hydrothermale Methoden usw.8,25,26. Kürzlich wurde eine Hybridmethode verwendet, die die Pulslaserablation in Flüssigkeit (PLAL) und die Plasmastrahltechnik umfasst, da sie viele Vorteile bieten, darunter Kosteneffizienz, Umweltfreundlichkeit und kein Bedarf an teurer Ausrüstung27,28. Außerdem benötigen sie keine lange Vorbereitungszeit, nur ein paar Pfefferminzbonbons. Der Hauptmechanismus für die Herstellung von PLAL-Nanomaterialien kann wie folgt dargestellt werden: Laser-Materie-Wechselwirkung (Absorption eines Laserimpulses durch ein Material); die Bildung, Ausdehnung und Abkühlung einer Plasmafahne; die Erzeugung von Stoßwellen; und die Bildung, Expansion und der Zusammenbruch von Blasen in einem flüssigen Medium14,15,16,17. Während bei der Plasmastrahltechnik ein breites Spektrum reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS), die durch nichtthermische Plasmaquellen bei Atmosphärendruck erzeugt werden, für diese Anwendung von entscheidender Bedeutung ist22,29. Da im Plasma erzeugte RONS die chemische Zusammensetzung einer Flüssigkeit verändern, sind Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen bei der Herstellung von Nanomaterialien von entscheidender Bedeutung29,30,31,32,33. Ozon, Singulett-Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Hydroxylradikale und Stickoxid sind nur einige der häufigsten RONS, die bei Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen entstehen8,34.

Alkohol und Betadin (Povidon-Jod) sind wirksame Mikrobizide, die alle Arten von Bakterien, Viren, Pilzen und anderen Mikroorganismen beseitigen können35. Laut Lavelle et al. verursachte die Jodaufnahme einiger Patienten ungeklärte Anomalien und Nierenversagen36. Die Anwendung dieser Lösung auf trockener Haut ist sicher. Wenn sie jedoch auf eine Wunde aufgetragen wird, kann sie bei manchen Anwendern allergische Reaktionen hervorrufen und schwere Reizungen hervorrufen (Hwang et al., 1986). Darüber hinaus verzögert sie den Heilungsprozess und hinterlässt Narben37 . Darüber hinaus sollte es nicht bei chirurgischen Schnitten oder Wunden wie Verbrennungen angewendet werden, da Jod von schwangeren Frauen absorbiert wird und ihren ungeborenen Kindern schadet. Das Problem bei Antibiotika ist jedoch das Auftreten resistenter Stämme und die Möglichkeit, dass mikrobielle Stämme gegen ein oder mehrere Antibiotika resistent werden. Bei einer Infektion des Nährgewebes breiten sich resistente Wunden schnell aus und können sogar zum Tod des Patienten führen. Wenn schwere Krisen wie Erdbeben, Überschwemmungen oder große Brände plötzlich dazu führen, dass eine große Anzahl von Patienten in Krankenhäusern oberflächliche und tiefe Wunden erleiden, wird die Kontrolle anhaltender Belastungen und die Verhinderung von Epidemien zu einer besonderen Herausforderung38.

Aufgrund des gestiegenen Gesundheitsbewusstseins in der Bevölkerung, der offensichtlichen Nachteile von Betadin und Alkohol sowie der Entwicklung multifunktionaler Antibiotika konzentrieren sich Forscher nun auf alternative, neuere antimikrobielle Wirkstoffe, um herkömmliche antimikrobielle Wirkstoffe zu ersetzen oder sie gelegentlich einzusetzen, um die Epidemie resistenter Stämme zu verhindern. resistente Mikroben gegen mehrere Medikamente19,39. Nanotechnologie ist ein multidisziplinäres Gebiet, das Grundlagen- und angewandte Wissenschaften wie Biophysik, Molekularbiologie und Bioingenieurwesen vereint40. Die Größenreduzierung ist ein grundlegender Einheitsvorgang, der in der Pharmazie ein breites Anwendungsspektrum hat41,42.

Nach unserem besten Wissen gibt es keine Studien zur Synthese der Kern-Schale-NP-Struktur ZnO@NiO (ZNO). Darüber hinaus schlagen wir eine neue Hybridmethode zur Synthese der Kern-Schale-Struktur vor, die zweistufige PLAL und Plasmastrahl umfasst. Das Hauptziel dieser Forschung besteht darin, ZNO-NPs zu synthetisieren, sie als antibakterielle Mittel zu verwenden und ihre Wirkung auf Zellen zu bestimmen (weiße Blutkörperchen). Dies ist auch die erste Studie zur Wirkung von ZNO-NPs auf Escherichia coli (Gram-negativ) und Staphylococcus aureus (Gram-positiv). Außerdem wurde das fluoreszenzmikroskopische Bild verwendet, um den Bakterienstamm vor und nach der Behandlung darzustellen. Die morphologischen und optischen Eigenschaften der vorbereiteten NPs werden mit TEM, FESM, AAS, EDX, XRD und UV-Vis untersucht.

Zur Herstellung der ZNO-Kern-Schale-NPs wurde eine neuartige Technik verwendet, die als Hybridtechnik bezeichnet wird und zwei Schritte umfasst. Zuerst wurde das Ni-Metallpellet in distales Wasser getaucht und mit dem Nd:YAG-Laser bei 800 mJ 10 Minuten lang ablatiert. Zweitens wurde das Ni-Pellet durch ein Zn-Pellet ersetzt und unter Verwendung eines Plasmastrahls mit 12 kV und 3 m3/s für 10 Minuten im gleichen Medium (kolloidale NiO-NPs) abgetragen. Mit den Hybridtechniken konnten erfolgreich ZnO@NiO (ZNO)-Kern-Schale-NPs gebildet werden, die eine deutliche Farbänderung zeigten (Abb. 1). Die NiO-NPs wurden zuerst in distalem Wasser synthetisiert, und die Farbe des Wassers änderte sich zu hellgelbem, transparentem Kolloid (kann durchsichtig sein) und wandelte sich dann nach der Bildung in graues, undurchsichtiges oder undurchsichtiges Kolloid (kann nicht durchsichtig sein) um ZNO-Kern-Schale (Abb. 1d). Die Konzentration jedes Partikels wurde mittels AAS gemessen. Dabei ist ZnO der Kern und NiO die Hülle. Der Entstehungsprozess wird wie folgt erklärt: Der Laserablationszyklus in Wasser beginnt damit, dass der Laserstrahl auf die Zieloberfläche trifft, die in ein flüssiges Medium eingetaucht ist. Durch den Laserstrahl wird sofort Plasma erzeugt, das als „laserinduziertes Plasma“ bezeichnet wird und die Oberfläche des festen Ziels abträgt. Nach der Plasmaentwicklung in der flüssigen Atmosphäre wird das Plasma sofort vom flüssigen Medium eingeschlossen; Daher ist der thermodynamische Zustand des laserinduzierten Plasmas völlig anders18,43. Dann aggregieren die vom Target abgetragenen Atome im Wasser und bilden die Nanopartikel. Im Fall eines Plasmastrahls ionisiert das erzeugte Plasma das Wasser und die NiO-NPs der kolloidalen Lösung, was zu einer Ausdehnung der Zn-Oberflächenschicht führt und es dem kleinen Ion ermöglicht, sich problemlos zwischen den Zn-Schichten einzunisten. Dadurch dehnt sich der Gitterraum aus, was eine große Erleichterung darstellt die Spaltung geschichteter Materialien bei schnellem Erhitzen. Dadurch lösen sich die schichtförmigen Massenmaterialien aufgrund der durch die Hitze verursachten dramatischen Ausdehnung des Interkalationsmaterials in kleinere Schichten oder Plättchen in Nanogröße auf. Dies sind die ZnO-NPs, die unmittelbar von den NiO-Ionen umgeben sind und ZNO-Kern-Schale-NPs bilden.

Darstellung des Hybridansatzes zur Herstellung von NiO- und ZNO-NP-Kolloiden: (a) NiO-Kolloide durch PLAL, (b) ZNO-NP-Kolloide mit Plasmastrahl, (c) schematische Konfiguration von Kern-Schale-Partikeln, (d) Fotos der hergestellten Kolloide von NiO- und ZNO-NPs.

Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) wurde verwendet, um die Struktur der vorbereiteten ZNO-NPs zu zeigen. Dies bestätigt die Bildung der Kern-Schale-Struktur, wobei, wie in Abb. 2a und b dargestellt, der dunkle Punkt die ZnO-NPs (Kern) darstellt und vom hellen Punkt umgeben ist, der die NiO-NPs (Schale) darstellt. Außerdem wurde das TEM für NiO allein vor der Zugabe von ZnO und dem Bild (siehe Abb. S3) aufgenommen, das bestätigt, dass es sich bei dem Lichtfleck um die NiO-NPs handelt. Aus diesen Bildern ging klar hervor, dass sehr kleine Partikel gebildet wurden, die in der Größenordnung von ... Größe von 20 bis 100 nm, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 50,9 nm und einer nahezu kugelförmigen Form (dargestellt in Abb. 2c). Das gezeigte NiO-Partikel war so klein, weil es ionisiert war und der im PLAL-Teil gebildete Cluster aufgebrochen ist aufgrund des Effekts der Plasmastrahltechnik. Das in Abb. 2e und f gezeigte FESEM-Bild zeigt die Morphologie und Verteilung der gebildeten Kern-Schale-NPs. Es zeigte eine gleichmäßige Verteilung und hat eine elliptische Form. Es zeigt auch, wie viel NiO-NPs bedecken die ZnO-NPs und wie viel von diesem Partikel klein ist. Das Ergebnis der EDX-Kartierung und des Spektrums zeigt die erfolgreiche Bildung von ZNO-Kern-Schale-NPs, wie in Abb. 3 dargestellt. Wobei Abb. 3a und b die Agglomaration von Znic und zeigen Die Bildung von Nickal-Anopartikeln und Abb. 3c zeigen die gleichmäßige Verteilung des Sauerstoffs, die jeweils rosa, grün und gelb angezeigt werden, was auf die erfolgreiche Einkapselung von ZnO mit NiO schließen lässt. Wie in Abb. 3d gezeigt, befindet sich in der kolloidalen Lösung eine sehr geringe Menge NiO, was bestätigt, dass es in eine Hülle für ZnO umgewandelt wurde. Dieses Ergebnis von ZnO wurde mit S. Sardar et al. gealtert. Das Ergebnis zeigt auch die Bildung einer Kugelform44. Dieses Ergebnis stimmte auch mit dem AAS-Ergebnis überein, das 50 ppm für ZnO und 5,8 ppm für NiO ergibt, während wir bei der Messung des NiO nach PLAL 60 ppm ergeben, was ebenfalls ein weiterer Hinweis ist dass alle ZnO-Partikel mit NiO-Partikeln bedeckt sind, da diese im verwendeten Kolloid eine höhere Konzentration aufweisen.

(a) TEM-Bild der vorbereiteten ZNO-NPs bei 80 nm, (b) TEM-Bild der vorbereiteten ZNO-NPs bei 30 nm, (c) Histogramm der ZNO-NPs, (d) EDX-Spektrum der ZNO-NPs, (e) und ( f) FESEM-Bild von ZNO-NPs bei 200 nm.

Die EDX-Kartierung und das EDX-Spektrum von ZNO-NPs, (a) EDX-Kartierung von Zn, (b) EDX-Kartierung von Ni, (c) EDX-Kartierung von O und (d) EDX-Spektrum von ZNONPs.

Abbildung 4 zeigt das XRD-Muster für ZNO-Kern-Schale-NPs und die Standard-XRD-Daten für ZnO und NiO6. Beugungspeaks wurden bei 2θ = 31,856°, 34,52°, 36,346°, 47,616°, 56,652°, 66,412°, 68,035° und 69,221° beobachtet, die den Miller-Indizes (100), (002), (101) zugeordnet wurden. (012), (110), (200), (112) bzw. (201). Das höchste Beugungsmuster zwischen 30 und 40° weist auf die Bildung von Wurtzit ZnO hin, was mit JCPDS 96–900-4181 übereinstimmt. Das Beugungsmuster zeigt die Bildung von NiO mit einem beobachteten Peak bei 2θ = 62,945°, 75,435° und 79,621°, entsprechend den Ebenen (202), (311) bzw. (222) gemäß JCPDS 96-432-9326 . Es weist auch auf kubische Phasenkristallite von NiO hin, was mit dem ersten Schritt übereinstimmt und mit M.Patel et al.45 übereinstimmt. Die durchschnittliche Kristallgröße wurde mithilfe der Debye-Scherrer-Gleichung bestimmt. (1), wobei die ZnO-NPs 13,81 nm betragen und das NiO 11,08 nm und 13,059 für ZNO-NPs beträgt (siehe Tabelle S1, Einzelheiten zu den XRD-Peaks). Diese Ergebnisse deuten auf die erfolgreiche Bildung nanometergroßer Partikel hin, was mit dem FESEM-Ergebnis übereinstimmt. Dieses Ergebnis stimmte gut mit Cheng et al., Gnanamozhi et al. überein. und Xie et al.21,46,47. Die Differenzreaktionen in Abb. 3c ac im Vergleich zu Abb. 3a und b (die Standarddaten) zeigen eine Übereinstimmung sowohl mit dem ZnO-Peak als auch mit dem NiO-Peak, was die Bildung des Kerns/der Schale ohne irgendeine chemische Reaktion zwischen ihnen bestätigt.

XRD-Muster der vorbereiteten Probe, (a) XRD von ZnO, (b) XRD von NiO, (c) XRD der synthetisierten ZNO-Kern/Schale-NPs.

Die optische Absorption der ZNO-Kern-Schale-NPs wurde mit einem UV-Vis-Spektrophotometer gemessen und lieferte Informationen über die physikalischen Eigenschaften der vorbereiteten NPs wie Absorption und Energiebandlücke. Abbildung 5a und b zeigen die Absorption und Bandlücke von ZnO bzw. NiO, um sie mit vorbereitetem Kern/Schale zu vergleichen48,49. Abbildung 5c ​​zeigt die Absorption von ZNO-Kern-Schale-NPs. Die Spektren zeigen, dass die kleine Verschiebung an den Kanten, an denen Licht absorbiert wird, durch die Zugabe von Ni verursacht wird. Im Vergleich zu den Spektren von reinem ZnO zeigen die Spektren eine starke Absorption im ultravioletten Bereich und eine Rotverschiebung. Dies könnte auf die Wechselwirkung von ZnO- und NiO-Ionen über den sp-d-Austausch zurückzuführen sein50. Nach der Zugabe von NiO kam es zu einer großen Verschiebung in der Art und Weise, wie ZnO Licht in Richtung des roten Endes des sichtbaren Spektrums absorbierte, was sich positiv auf die photokatalytische und antibakterielle Aktivität auswirkt, indem es das Licht in die innere Oberfläche verteilt und es viele Male reflektieren lässt26. Der Anregungskoeffizient von ZnO steht in direktem Zusammenhang mit seinem Absorptionskoeffizienten. Wenn die Absorptionskanten von ZnO-Nanopartikeln größer werden, sinken die optische Bandlückenenergie und die Lichtmenge, die sie passieren können21. Darüber hinaus wurde die Extrapolation der hυ-gegen-(αhυ)2-Kurve verwendet, um die Energiebandlücke für die vorbereitete Probe zu bestimmen. Die optische Energiebandlücke der hergestellten Proben könnte mithilfe einiger Techniken ermittelt werden, beispielsweise der Tauc-Relation. Die Formel für die Tauc-Beziehung lautet (αhυ)n = A(hv Eg), wobei hυ die diskrete Energiebandlücke des Lichts bezeichnet, α die Absorption bezeichnet, A eine Konstante bezeichnet, die von der Länge der lokalisierten Zustandsfahnen abhängt, und ZB bezeichnet die optische Energiebandlücke. Der Bandlückenwert wurde erhalten, indem eine gerade Linie auf der Kurve gezeichnet und diese mit h auf der in Abb. 5d8 gezeigten X-Achse geschnitten wurde. Wenn die NiO-NPs als Hüllen für ZnO-NPs verwendet werden, sinkt die optische Bandlückenenergie von 3,19 eV (reines ZnO) auf 2,966 eV. Nach der Zugabe des NiO (Schale) schrumpfte die Bandlücke, was darauf hindeutet, dass die Ni2+-Ionen als Defektstellen im Valenzband fungieren und die Bandlücke verringern. Der Quanteneinschlusseffekt kann die Abnahme der Bandlückenenergie und die Zunahme der Teilchengröße erklären. Korngrenzen spielen eine wichtige Rolle bei der Verringerung der Energie und Durchlässigkeit der optischen Bandlücke, was zu einer höheren Dichte der Korngrenzen führt und sich positiv auf die photokatalytische und antibakterielle Aktivität auswirkt. Der Prozentsatz des photokatalytischen Abbaus wird durch den Beschallungsprozess durch zunehmende Wechselwirkung und Mehrfachreflexionseffekte schnell erhöht. Dieser Befund stimmte gut mit dem von P. Gnanamozhi et al. überein. und S. Al-Ariki et al.21,26.

Die optischen Eigenschaften der NPs (a) optische Absorption von ZnO, (b) die Bandlücke von ZnO, (c) optische Absorption von NiO, (d) die Bandlücke von NiO, (e) die optische Absorption des hergestellten ZNO NPs, (b) Optische Bandlückenenergie von ZNO-NPs.

Die CA an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Feststoff wird verwendet, um die Benetzbarkeit von Biomaterialien in vitro zu beurteilen. Eine niedrige CA bezeichnet eine Oberfläche, die stark benetzbar oder hydrophil ist, was zu einem kontinuierlichen Flüssigkeitsfilm führt, der die feste Oberfläche bedeckt. Drei Kräfte beeinflussen, wie nass eine feste Oberfläche ist: die Oberflächenspannung des Festkörpers, die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und die Grenzflächenspannung51,52. Abbildung 6 zeigt den CA der hergestellten ZNO-NPs-Kolloide, der zwischen 15,08 und 14,12 zu liegen scheint, was ein hervorragendes Ergebnis ist und man könnte es als superhydrophil bezeichnen, was auf eine höhere Benetzbarkeit hinweist. Die Kolloide haben also einen niedrigen CA; Daher hat das NP in den Kolloiden eine geringere Grenzflächenspannung, was bedeutet, dass es zu keiner Agglomeration im Partikel kommt, wodurch die CA verringert und die Benetzbarkeit auf der Oberfläche erhöht wird. Allerdings waren in der Kernschale die Anziehungskräfte bei Molekülen mit niedrigem CA geringer, was die Spannung der Oberfläche verringerte51. Darüber hinaus stimmte dieses Ergebnis mit den TEM- und FESEM-Ergebnissen überein, die zeigten, dass eine geringe Agglomeration im Partikel aufgrund der Hülle die Anziehungskraft zwischen den Kernpartikeln verringert.

Die CA der hergestellten Kolloide (ZNO-NPs).

Die CA-Ergebnisse zeigten, dass die hergestellten ZNO-NPs aufgrund ihrer hervorragenden Benetzbarkeit, einer entscheidenden Biomaterialeigenschaft, eine hohe Biokompatibilität aufweisen. Schließlich zeigt eine höhere Benetzbarkeit, dass Kolloide eine größere Fläche bedecken, was ein Zeichen für eine starke antibakterielle Aktivität ist und sich auch für viele biologische Anwendungen eignet.

Die antibakterielle Aktivität wurde mit der Welldiffusionsmethode an zwei Bakterienarten, E. coli und S. aureus, untersucht. Für ZNO-NPs werden drei verdünnte Konzentrationen verwendet (25, 50 und 75 µg/ml), um anzuzeigen, wie sich die NP-Konzentration auf die Bakterien auswirkt (siehe Abb. S4). Die Hemmzonen des präpaerten kolloidalen NP sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Hemmzone nahm mit zunehmender NP-Konzentration sowohl für gramnegative als auch für grampositive Bakterien zu. Die antibakterielle Aktivität der hergestellten NPs erfolgte aufgrund der Wechselwirkung zwischen der NP-Oberfläche und den Zellwandbestandteilen; Daher könnten strukturelle Veränderungen auf die Membranen der Zellen zurückzuführen sein53.

Gramnegative Bakterien bestehen jedoch aus Lipopolysacchariden in der Außenmembran und einer dünnen Peptidoglycanschicht, die als primäre Permeabilitätsbarriere für Makromoleküle und hydrophobe Arzneimittel dient. Im Gegensatz dazu haben grampositive Bakterien eine einfache Struktur mit einer Membran, die die Zelle umgibt, sowie einer Zellwand, die hauptsächlich aus einer Peptidoglycanschicht sowie Teichon- und Lipoteichonsäure besteht. Daher ist die Hemmzone bei grampositiven Bakterien größer als bei gramnegativen Bakterien54. Schäden an Zellmembranen wurden durch direkten Kontakt mit NPs verursacht. Aufgrund der Entfernung zusätzlicher Carboxylgruppen von der Zelloberfläche hatte die Bakterienzelle als Ganzes bei einem physiologischen pH-Wert von 53,55 eine negative Ladung. Dadurch werden die positiven NPs elektrostatisch an die negative Zelloberfläche gebunden, wodurch die Zellaktivität verringert wird. Durch das Eindringen und die Toxizität der NPs wurden die Zellen abgetötet und lysiert. Einige Studien deuten darauf hin, dass die geringe Größe von NPs ihnen dabei helfen könnte, Bakterienmembranen zu durchdringen. Äußere Zellmembranen haben nanometergroße Poren, in die NPs eindringen können56,57. Somit ist der Membranstofftransport unkontrolliert. NPs schädigen Zellmembranen über reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie Superoxid- (O2−) und Hydroxylradikale (OH−) oder direkte Zellschäden. Metalloxid-NPs produzieren Superoxid- und Hydroxylradikale, die Zellen schädigen. ROS oxidieren Doppelbindungen in Phospholipiden und erhöhen so die Membranflüssigkeit und den osmotischen Stress. ROS können Eisen-Schwefel-Enzym-Cofaktoren schädigen. NP-Größe, Konzentration und Stabilität im Wachstumsmedium beeinflussen die bakterizide Aktivität58,59.

Die Hemmungsraten von ZNO-NPs, bestimmt mit Gl. (2) sind in Abb. 7 dargestellt. Die Ergebnisse zeigten eine gute Hemmungsrate für alle Konzentrationen, die für E. coli 62,8, 71,2 und 80,8 und für S. aureus 55,6, 64,4 und 82,4 betrugen. Diese Ergebnisse sind auf den engen Kontakt der NiO-NPs (Hülle) zurückzuführen, der es den ZnO-NPs (Kern) ermöglichte, eng mit der Membran in Kontakt zu kommen und das Aufbrechen der kontrahierten Bakterien auszulösen. Die Ablagerung oder Akkumulation der ZnO-NPs auf der Oberfläche der Bakterien, die zu zytotoxischen Bakterien und einer relativ erhöhten ZnO-Konzentration im Inneren der Zelle führt, führt zum Zelltod. Darüber hinaus verhindert die Verwendung des ZNO-Kern-Schale-Materials, dass sich die Bakterien im Kulturmedium ernähren55,60. Darüber hinaus durchläuft das NiO durch das Verhalten der Zelle einen Übergang, der dem ZnO (Kern) dabei hilft, die Bakterienbarriere zu durchdringen und die Partikel über eine große Fläche zu verteilen. Außerdem können ZNO-NPs es für die Zelle schwieriger machen, Häm-Komponenten herzustellen und abzubauen, die für die ordnungsgemäße Funktion einer Reihe von Häm-Proteinen und für die Aufnahme von Eisenionen in die Zelle erforderlich sind. Diese Möglichkeiten werden mit A. Kubacka et al. demonstriert und bewiesen. Studie61. Daher verbessert die Kernumhüllung des Metalloxids mit einem anderen Metalloxid oder einem anderen Material seine antibakterielle Aktivität auf ein höheres Niveau als die alleinige Verwendung. Vergleicht man dieses Ergebnis mit einem anderen Ergebnis wie dem von KS Khashan et al., zeigt unser Ergebnis eine höhere Hemmzone für vorbereitete NPs53. Im Vergleich zu P. Gnanamozhi et al. In einer Studie, in der Ni-dotierte ZnO-NPs bei gramnegativen und grampositiven Bakterien eingesetzt wurden, betrug die maximale Hemmung bei gramnegativen Bakterien 15 mm, während sie in unserer Studie 20,2 mm erreichte21.

Hemmungseffizienz von ZNO-NPs.

Wie in Abb. 8 gezeigt, wurde die Doppelfärbung mit Acridinorange/Ethidiumbromid (AO/EtBr) verwendet, um zu bestimmen, welche Bakterienstämme vor der Fluoreszenz lebten und welche tot waren. Mikroskopie wurde verwendet, um die antibakterielle Aktivität der produzierten Nanopartikel auf S. zu testen. aureus- und E. coli-Bakterienstämme. Bei der Bindung an die Nukleinsäure lebender Bakterien emittiert Acridinorange eine grüne Fluoreszenz (Abb. 8a und c). Andererseits bindet Ethidiumbromid überwiegend an die Nukleinsäure toter Bakterien und fluoresziert rot oder orange (Abb. 7b und d)62,63. Die Farbe lebender Zellen ist daher grün, wohingegen die Farbe toter Zellen rot ist. Alle unbehandelten Bakterienzellen beider Arten von Bakterienstämmen fluoreszierten in Abb. 8a und c grün und zeigten damit ihre Lebensfähigkeit. Die Behandlung mit ZNO-NPs führt dazu, dass fast alle Zellen rot werden, was zeigt, dass mehr Zellen abgestorben sind als bei unbehandelten Zellen. Daher hatten ZNO-NPs die größte Wirkung auf beide Arten von Bakterien64. Nanopartikel beeinträchtigten S. aureus aufgrund von Variationen in der Zellmembranstruktur stärker als E. coli. Nanomaterialien können die DNA von Bakterien auf verschiedene Weise zerstören, einschließlich endogener und exogener Schäden. Bei Angriff endogener Quellen können reaktive Sauerstoffspezies (ROS) entstehen. Der normale Zellstoffwechsel führt zur Produktion von ROS in den Zellen65. Diese freien Radikale sind unglaublich instabil und können im Bruchteil einer Sekunde mit anderen Substanzen reagieren. Die freien Radikale und die DNA lösten eine Reihe von Ereignissen aus, die zu den genotoxischen Läsionen führten66. Die Abtötungsmechanismen von Nanopartikeln gegen Bakterien sind in Abb. 9 dargestellt.

Das fluoreszenzmikroskopische Bild von S.aureus und E.coli, wobei (a) und (c) jeweils der Kontrollbakterienstamm und (b), (d) die mit ZNO-NPs behandelten Bakterien sind.

Die Veranschaulichung der Abtötungsmechanismen von Nanopartikeln gegen Bakterien.

Die Wirkung der NPs auf die Zelllebensfähigkeit weißer Blutkörperchen wurde mit einem ELISA-Mikroplatten-Spektrophotometer gemessen. Die Aktivität von Nanomaterialien gegenüber dem biologischen System und den Zellen ist ein wesentlicher Faktor für den Biomaterialbedarf, der sie für medizinische Anwendungen geeignet macht. Daher wurde die Reaktion der weißen Blutkörperchen auf ZNO-Kern-Schale-NPs mithilfe eines MTT-Assays nach 24-stündiger Exposition gegenüber NPs untersucht, wobei die violette Farbe von MTT mit zunehmendem Anteil an Nanomaterialien heller wird, was bedeutet, dass die Lebendzellen Zellen sind zurückgegangen (siehe Abb. S5). Abbildung 10 zeigt die Zelllebensfähigkeitsrate für die vorbereiteten NPs bei verschiedenen Konzentrationen (0, 25, 50 und 75 µg/ml), die mithilfe von Gl. bestimmt wurde. (3). Die minimale Zelllebensfähigkeit bei einer ZNO-NPs-Konzentration (75 g/ml) beträgt 50,73 %, was immer noch im akzeptablen Bereich liegt. Darüber hinaus können wir die niedrigere Konzentration verwenden, um die Wirkung von ZNO-NPs zu erzielen, die eine gute Zelllebensfähigkeit und eine geringere zeigen Zelltoxizität. Darüber hinaus könnte die Toxizität von ZNO-NPs auf die hohe ZnO-Konzentration zurückzuführen sein, wohingegen einige Studien darauf hinweisen, dass eine Erhöhung der ZnO-Konzentration aufgrund von Veränderungen des pH-Werts um die Zelle zu mehr Zellschäden führt55.

Zelllebensfähigkeitsrate von ZNO-NPs.

Die vorgeschlagenen neuartigen Hybridtechniken bilden erfolgreich die Kern-Schale der ZNO-NPs. Basierend auf dem Ergebnis weisen die hergestellten ZNO-NPs eine geringe Größe, eine gleichmäßige Verteilung und keine Aggregation auf, da das NiO (Schale) als wirksamer Stabilisator fungiert und verhindert, dass ZnO ( verhindern, dass sich der Kern berührt und überzieht. Die Bildung der Kern-Schale der ZNO-NPs wird durch XRD, FESEM, TEM und EDX bestätigt. Die CA-Ergebnisse zeigten, dass die hergestellten ZNO-NPs aufgrund ihrer hervorragenden Benetzbarkeit, einer entscheidenden Biomaterialeigenschaft, eine hohe Biokompatibilität aufweisen. Eine höhere Benetzbarkeit zeigt außerdem, dass Kolloide eine größere Fläche bedecken, was ein Zeichen für eine starke antibakterielle Aktivität ist, und ist auch für viele biologische Anwendungen geeignet. Auch das fluoreszenzmikroskopische Bild bestätigte den Bakterientod bei Verwendung der ZNO-NPs. Die Ergebnisse zeigen, dass die hergestellten ZNO-NPs selbst bei geringen Konzentrationen eine hervorragende antibakterielle Aktivität sowohl gegen gramnegative als auch grampositive Bakterien aufweisen. Daher verbessert die Kernumhüllung des Metalloxids mit einem anderen Metalloxid oder einem anderen Material seine antibakterielle Aktivität auf ein höheres Niveau als es alleine zu verwenden. Schließlich ist PLAL eine leicht skalierbare, kostengünstige und umweltfreundliche Methode zur Synthese von NPs, und die hergestellten Kern-Schale-NPs könnten in anderen biologischen Anwendungen wie der Arzneimittelabgabe, der Krebsbehandlung und weiteren biomedizinischen Funktionalisierungen verwendet werden.

Die Nickel- und Zinkpaletten werden von Sigma-Aldrich mit einer Reinheit von 99,98 % (das XRD-Ergebnis ist in den Abbildungen S1 und S2 für beide Paletten dargestellt) und einer Dicke von 1 mm gekauft. Nickel mit einer Abmessung von 1 cm × 1 cm wurde als Laserziel und Zink mit einer Abmessung von 1 cm × 4 cm als Plasmastrahlziel verwendet. In dieser Studie wurde das destillierte Wasser verwendet, das mit dem Millipore-Wasseraufbereitungssystem destilliert wurde.

Die Nickel- und Zinktargets werden durch Schleifen (mit Spachtelpapier) und einem professionellen Ultraschallreiniger im Plasmalabor der Physikabteilung der Universität Bagdad, Irak, gereinigt, um Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen. Die Laserablation wurde mit gütegeschaltetem Nd:YAG durchgeführt, das bei einer Wellenlänge von 1064 nm betrieben wurde. Für die Ablation wurden 800 mJ Laserenergie mit einer Wiederholrate von 7 Hz und einer Pulsdauer von 10 ns eingesetzt. Um eine Laserablation durchzuführen, wurde der Laserstrahl mithilfe einer Positivlinse mit einer Brennweite von 9 cm und einer Punktgröße von 2,5 mm auf das Ziel fokussiert. Der Plasmastrahl enthält Argongas (99 % Reinheit) und eine lokal hergestellte Hochspannungsversorgung zwischen 10 und 20 kV. Atomabsorptionsspektrometrie (AAS-Perkin Elmer, Analyst 400, 2014) wurde verwendet, um die Konzentration der in der kolloidalen Lösung vorhandenen NPs zu messen, die die Anzahl der Atome im Bereich von Teilen pro Milliarde (ppm = µg/ml) misst der Universität Bagdad im Fachbereich Biowissenschaften. Die AAS-Messung wurde für jede Probe dreimal wiederholt und der Durchschnitt gebildet. Röntgenbeugung (XRD) wurde verwendet, um die Kristallstruktur des hergestellten ZnO@NiO (ZNO)-Kern-Schale-NP unter Verwendung eines kα-Cu-Targets (λ = 0,15406 nm; die Röhre wurde bei 45 kV betrieben) und des Scans zu untersuchen wurde über einen 2θ-Bereich von 20°–70° erfasst. Zur Berechnung der Korngröße wurde die folgende Debye-Scherrer-Gleichung verwendet16,67:

Dabei ist D die durchschnittliche Kristallgröße, β die Halbwertsbreite in voller Breite, k die Scherrer-Konstante (0,9), λ die Röntgenkonstante (0,15406 nm) und α der Braggs-Winkel53. Die optischen Eigenschaften wurden mit einem UV-Vis-Spektrophotometermodell (Metertech, SP8001-Spektrophotometer, Japan) im Bereich 100–1000 nm an der Technischen Universität in der Abteilung für Laser- und Optoelektroniktechnik gemessen. Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) wurde verwendet, um die Oberflächenmorphologie, Partikelgröße und chemische Zusammensetzung der produzierten NPs zu bewerten, wobei ein JSM-IT800 (Herkunft) verwendet wurde, das mit energiedispersiver Röntgentechnologie (EDX) in DayPetroinc Co. ausgestattet war. Ltd. Teheran, Iran. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM, Zeiss, Deutschland) wird bei DayPetroinc Co. Ltd. in Teheran, Iran, eingesetzt, um die Größe und Form der Partikel sowie das Wachstum der Kern-Schale zu untersuchen.

Der ZNO-Kern@Schale wurde mithilfe von Hybridtechniken synthetisiert, bei denen das Nickeltarget in destilliertem Wasser unter Verwendung von PLAL-Techniken 10 Minuten lang bei Raumtemperatur ablatiert wurde. Anschließend wurde das hergestellte Kolloid, das NiO-NPs enthält, verwendet und das Titantarget darin eingetaucht. Das Zinktarget wurde unter Verwendung der Plasmastrahltechnik 10 Minuten lang und einer 3-l/min-Gasfolgeratte abgetragen.

Zwei klinische Isolate, Escherichia coli (gramnegativ) und Staphylococcus aureus (grampositiv), wurden zur Bewertung der antibakteriellen Aktivität von ZNO-NPs verwendet. Diese beiden Bakterienisolate wurden auf Mueller-Hinton-Agarmedium übertragen, über Nacht bei 37 °C inkubiert und bis zur Verwendung im Kühlschrank bei 4 °C aufbewahrt. Mit Mikropipettenspitzen wurden Vertiefungen mit einem Durchmesser von etwa 6 mm auf der Oberfläche von Agarmedien erzeugt, die dann mit NP-Suspensionen unterschiedlicher Konzentration gefüllt wurden. Diese Platten wurden 24 Stunden lang inkubiert. Die antibakterielle Wirksamkeit von ZNO-NPs wurde durch Messung der Breite der Hemmzonen aus vielen Richtungen mit einem Lineal bestimmt. Alle Experimente wurden doppelt durchgeführt und gereinigtes Wasser diente als Negativkontrolle68. Der Prozentsatz der antimikrobiellen Aktivität (%) wurde anhand der folgenden Formel18 berechnet:

Der in dieser Arbeit verwendete Standard sind 250 µg Emoxilian-Antibiotikum mit einer Hemmzone von 25 mm.

Um anhand der Membranintegrität festzustellen, ob Bakterienstämme lebten oder tot waren, wurde die antibakterielle Aktivität der vorbereiteten NPs auf E. coli- und S. aureus-Bakterien mithilfe fluoreszenzmikroskopischer Bildgebung untersucht. Im Gegensatz zu Ethidiumbromid (EB), das bei toten Bakterien rot fluoresziert, wurde Acridinorange (AO), das grün fluoresziert, zur Färbung lebender Bakterienstämme verwendet. Kurz gesagt: E. coli- und S. aureus-Bakterien wurden vor und nach der Behandlung mit NPs in Eppendorf eingesetzt. Danach wurden 10 g/ml AO/EB zugegeben und die Mischung 2 Minuten lang stehen gelassen. Die Proben wurden sofort unter dem Fluoreszenzmikroskop untersucht, bevor Bakterien ihre Farbstoffe austraten.

Der Zelllebensfähigkeitstest wurde unter Verwendung menschlicher weißer Blutkörperchen (das Blut wurde gesunden Freiwilligen im Alter von 25 Jahren entnommen) unter hochsterilen Bedingungen untersucht. Weiße Blutkörperchen mit einer Dichte von 1*104 Zellen/ml in einer Wellplatte wurden NPs ausgesetzt und dann 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Danach wurde die Platte ausgegossen und dreimal mit PBS gewaschen, um jegliche Spuren von NPs zu entfernen. Dann wurden 10 μl MTT-Farbstofflösung zu den Wellplatten gegeben und 4 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Die Zellen wurden mehrmals mit PBS gewaschen, bis der überschüssige Farbstoff entfernt war. Nachdem die Platten vollständig getrocknet waren, wurden die Ergebnisse mit einem ELISA-Mikroplatten-Spektrophotometer bei einer Wellenlänge von 500 nm abgelesen. Der Prozentsatz lebender Zellen im Verhältnis zur Gesamtzahl der Zellen wurde zur Berechnung der Zelllebensfähigkeit verwendet. Dieser Prozentsatz wurde anhand der folgenden Gleichung18 berechnet:

Alle Verfahren wurden gemäß der Richtlinie mit der Nummer (UOT-LOEE-17082020) durchgeführt, die vom Human Care and Ethics Committee der Biotechnology Division, Laser and Optoelectronics Engineering Department, University of Technology, Bagdad, Irak, genehmigt wurde.

Von gesunden Spendern wurden frische Blutproben entnommen und in mit Heparin beschichtete Röhrchen verteilt, basierend auf der Methode des National Institute of Health und der Food and Drug Administration sowie gemäß der Erklärung und Verordnung von Helsinki von 1975 als Erklärung ethischer Grundsätze. Die Genehmigung wurde von den Krankenhäusern der medizinischen Stadt in Bagdad, Irak, eingeholt und von der institutionellen Ethikkommission der University of Technology, Bagdad, Irak genehmigt (Ref. Nr. LOEE 13–17–08–2020). Die Studienteilnehmer wurden über den Wert der Studie informiert, bevor wir mit der Sammlung von Daten oder Proben begannen. Von den Studienteilnehmern wurde eine Einverständniserklärung und/oder Zustimmung eingeholt.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde vom Plasma Physics Lab., Physikabteilung, College of Science, Universität Bagdad, durch die Bereitstellung der notwendigen Ausrüstung und Geräte unterstützt.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Hadeel J. Imran und Kadhim A. Aadim.

Abteilung für Laser- und Optoelektroniktechnik, Technische Universität Irak, Bagdad, Irak

Hadeel J. Imran & Kadhim A. Hubatir

Fachbereich Physik, College of Science, Universität Bagdad, Bagdad, Irak

Kadhim A. Aadim

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HJI und KAA; Methodik, Ressourcen, Untersuchung, HJI; Software, formale Analyse, Datenkuratierung, Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, KAH; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, KAH und KAA; Supervision, Projektadministration. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Kadhim A. Hubeatir.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Imran, HJ, Hubeatir, KA & Aadim, KA Eine neuartige Methode zur ZnO@NiO-Kern-Schale-Nanopartikelsynthese unter Verwendung von Pulslaserablation in Flüssigkeits- und Plasmastrahltechniken. Sci Rep 13, 5441 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32330-z

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Eingegangen: 12. Januar 2023

Angenommen: 26. März 2023

Veröffentlicht: 3. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32330-z

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