Un método novedoso para el núcleo de ZnO@NiO

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5441 (2023) Citar este artículo

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Dada su naturaleza versátil y su amplia gama de posibles aplicaciones, las nanopartículas de núcleo-envoltura (NP) han recibido una atención considerable. Este artículo propone un método novedoso para sintetizar nanopartículas de núcleo-envoltura de ZnO@NiO utilizando una técnica híbrida. La caracterización demuestra la formación exitosa de nanopartículas de núcleo-envoltura de ZnO@NiO, que tienen un tamaño de cristal promedio de 13,059 nm. Los resultados indican que las NP preparadas tienen una excelente actividad antibacteriana frente a bacterias Gram-negativas y Gram-positivas. Este comportamiento se debe principalmente a la acumulación de ZnO@NiO NP en la superficie de la bacteria, lo que da como resultado bacterias citotóxicas y un aumento relativo de ZnO, lo que provoca la muerte celular. Además, el uso de un material core-shell ZnO@NiO evitará que las bacterias se alimenten en el medio de cultivo, entre muchas otras razones. Finalmente, el PLAL es un método fácilmente escalable, rentable y respetuoso con el medio ambiente para la síntesis de NP, y las NP preparadas con núcleo y cubierta podrían usarse en otras aplicaciones biológicas, como la administración de fármacos, el tratamiento del cáncer y una mayor funcionalización biomédica.

Actualmente, las nanopartículas se consideran una herramienta poderosa y el área más efectiva para los estudios de investigación debido a sus propiedades únicas que dependen de su tamaño. El prefijo "Nano" significa diez potencias a menos nueve potencias, lo que se denomina escala nanométrica1. Las partículas con un diámetro inferior a 100 nm se conocen como nanopartículas. Las nanopartículas metálicas (NP) tienen beneficios significativos en una variedad de campos, incluidos la medicina, la biodetección, las ciencias biomédicas, los cosméticos, los alimentos y la electrónica2,3.

Los científicos e investigadores tienen un gran interés en la hibridación de varios elementos a nanoescala debido a sus características fisicoquímicas únicas, como eléctrica, óptica, catalítica y térmica4. Estas propiedades únicas y novedosas son el resultado de combinar las características de varios materiales y el efecto de la reducción del tamaño de las partículas de macro a nanoestructura, lo que conduce a un aumento en la relación superficie-volumen, seguido de un cambio completo en las propiedades fisicoquímicas5,6. ,7.

En los últimos años, se ha desarrollado un nuevo tipo de NP híbridas denominadas "NP core-shell", que consisten en dos o más tipos de nanomateriales individuales8. Los investigadores han descubierto que la mayoría de las características físicas de las NP dependen de sus superficies nanoestructuradas debido a las características de las NP que ayudan a aumentar la cantidad de enlaces colgantes que afectan sus propiedades fisicoquímicas. Estas cualidades podrían mejorarse aún más mediante el uso de un material de recubrimiento para crear la capa exterior de esta forma nanoestructurada a través de la pasivación química como un proceso de reducción posterior del núcleo. Este proceso se conoce como formación de "núcleo-capa". Además, la capa de la cubierta podría mejorar las propiedades fisicoquímicas del material del núcleo, como su actividad catalítica y sus propiedades no lineales9, lo que daría lugar a propiedades nuevas y únicas que podrían acelerar el desarrollo en varios campos de aplicación10,11.

El interés de la investigación en óxido de zinc (ZnO) ha ido en aumento, particularmente en nanotecnología, para sintetizar ZnO a nanoescala debido a sus propiedades y aplicaciones12,13,14,15. Es crucial en la creación de posibles fármacos antimicrobianos, así como en campos científicos y tecnológicos como la óptica no lineal, dispositivos eléctricos, catálisis y aplicaciones medicinales por tener una gran superficie y alta cristalinidad16,17. Las NP de ZnO se han empleado como agentes antibacterianos debido a su eficacia contra cepas resistentes a patógenos, baja toxicidad y resistencia al calor18,19,20. El rendimiento del sistema fotocatalítico del semiconductor de óxido metálico se mejora mediante el uso de metales de transición como Fe, Co, Ni y Mn. Debido a que el níquel tiene el mismo estado de valencia y radio iónico que otros metales de transición, se les puede agregar (como core@shell) para aumentar su actividad fotocatalítica y antibacteriana. Además, exhibe excelentes actividades fotocatalíticas y antibacterianas cuando se usa como núcleo con diferentes óxidos metálicos21,22,23,24. En este trabajo, elegimos NiO para que sea la cubierta de ZnO porque NiO tiene la misma característica que no se encuentra en otros materiales; el más importante es la transición a través de la celda, lo que le da la capacidad de retener el material del núcleo en las celdas. Esta propiedad potencia el efecto del material del núcleo y abre la puerta a un gran número de aplicaciones, especialmente en el campo biomédico y de fármacos. Esta estructura se propone por primera vez en este trabajo.

Existen numerosas técnicas para sintetizar las nanopartículas, incluyendo la deposición por láser pulsado, preparación sol-gel, coprecipitación química, descomposición térmica, métodos hidrotermales, etc.8,25,26. Recientemente, se ha utilizado un método híbrido que incluye la ablación con láser de pulso en líquido (PLAL) y la técnica de chorro de plasma debido a sus muchas ventajas, incluida la rentabilidad, el respeto por el medio ambiente y la ausencia de equipos costosos27,28. Además, no necesitan mucho tiempo de preparación, solo unas pocas mentas. El mecanismo principal para la fabricación de nanomateriales PLAL se puede ilustrar de la siguiente manera: interacción láser-materia (absorción de un pulso láser por un material); la formación, expansión y enfriamiento de un penacho de plasma; la generación de ondas de choque; y la formación, expansión y colapso de burbujas en un medio líquido14,15,16,17. Mientras que en la técnica de chorro de plasma, una amplia gama de especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RONS) producidas por fuentes de plasma no térmico a presión atmosférica es crucial para esta aplicación22,29. Dado que las RONS generadas por plasma alteran la composición química de un líquido, las interacciones plasma-líquido son cruciales en la producción de nanomateriales29,30,31,32,33. El ozono, el oxígeno singlete, el peróxido de hidrógeno, los radicales hidroxilo y el óxido nítrico son solo algunos de los RON comunes que se crean durante las interacciones plasma-líquido8,34.

El alcohol y el betadine (Povidona Yodada) son potentes microbicidas que pueden eliminar todo tipo de bacterias, virus, hongos y otros microorganismos35. Según Lavelle et al., la absorción de yodo de algunos pacientes provocó anormalidades inexplicables e insuficiencia renal36. Esta solución es segura para usar sobre la piel seca, pero si se aplica a una herida, puede causar reacciones alérgicas en algunos usuarios y causar irritación severa (Hwang et al., 1986), y también retrasará el proceso de curación, dejando cicatrices37 . Además, no debe aplicarse en incisiones quirúrgicas o heridas como quemaduras, y las mujeres embarazadas absorben el yodo, lo que daña a sus hijos por nacer. Sin embargo, el problema con los antibióticos es la aparición de cepas resistentes y la posibilidad de que las cepas microbianas se vuelvan resistentes a uno o más antibióticos. Si el tejido de alimentación se infecta, las heridas resistentes se propagan rápidamente e incluso pueden provocar la muerte del paciente. Cuando crisis graves como terremotos, inundaciones o grandes incendios provocan repentinamente que un gran número de pacientes sufran heridas superficiales y profundas en los hospitales, el control de las cepas persistentes y la prevención de epidemias se ha convertido en un desafío especial38.

Los investigadores ahora están enfocando su atención en agentes antimicrobianos alternativos más nuevos para reemplazar los antimicrobianos comunes o para usarlos ocasionalmente para prevenir la epidemia de cepas resistentes debido a una mayor conciencia comunitaria sobre la salud, los inconvenientes aparentes de la betadina y el alcohol, y el desarrollo de multi- microbios resistentes a varios fármacos19,39. La nanotecnología es un campo multidisciplinario que combina ciencias básicas y aplicadas como la biofísica, la biología molecular y la bioingeniería40. La reducción de tamaño es una operación unitaria fundamental que tiene una amplia gama de aplicaciones en farmacia41,42.

Hasta donde sabemos, no hay estudios que sinteticen la estructura de NP de núcleo-capa de ZnO@NiO (ZNO). Además, proponemos un nuevo método híbrido para la síntesis de la estructura núcleo-capa que incluye PLAL de dos pasos y chorro de plasma. El objetivo principal de esta investigación es sintetizar ZNO NP, usarlos como antibacterianos y determinar su efecto en las células. (glóbulos blancos). Este es también el primer estudio del efecto de las NP de ZNO en Escherichia coli (gramnegativo) y Staphylococcus aureus (grampositivo). Además, la imagen microscópica de fluorescencia se utilizó para mostrar la cepa bacteriana antes y después del tratamiento. Las propiedades morfológicas y ópticas de las NP preparadas se investigan mediante TEM, FESM, AAS, EDX, XRD y UV-Vis.

Se ha utilizado una técnica novedosa para preparar las NP de núcleo-envoltura de ZNO denominadas técnicas híbridas, que incluye dos pasos. Primero, el sedimento metálico de Ni se sumergió en agua distal y se sometió a ablación con el láser Nd:YAG a 800 mJ durante 10 min. En segundo lugar, el gránulo de Ni se reemplazó con un gránulo de Zn y se sometió a ablación usando un chorro de plasma con 12 kV y 3 m3/s durante 10 min en el mismo medio (NiO NP coloidal). Las técnicas híbridas formaron con éxito NP de núcleo-capa de ZnO @ NiO (ZNO), que mostraron un cambio de color evidente (Fig. 1). Las NP de NiO se sintetizaron primero en agua distal, y el color del agua cambió a amarillo claro coloidal transparente (se puede ver a través de él) y luego se convirtió en gris opaco o coloidal no transparente (no se puede ver a través de él) después de la formación de la Núcleo-carcasa de ZNO (Fig. 1d). La concentración de cada partícula se midió usando AAS. En este proceso, ZnO es el núcleo y NiO es la cubierta. El proceso de formación se explica de la siguiente manera: El ciclo de ablación láser en agua comienza con el rayo láser en la superficie del objetivo sumergido en un medio líquido. El plasma es generado inmediatamente por el rayo láser, que se denomina "plasma inducido por láser", eliminando la superficie del objetivo sólido. Después del desarrollo del plasma en la atmósfera líquida, el plasma queda inmediatamente confinado por el medio líquido; por lo tanto, el estado termodinámico del plasma inducido por láser es completamente diferente18,43. Luego, los átomos ablacionados del objetivo se agregan en el agua y forman las nanopartículas. En el caso del chorro de plasma, el plasma generado ioniza el agua de la solución coloidal y las NP de NiO, provocando una expansión en la capa superficial de Zn y permitiendo que el ion pequeño se acomode fácilmente entre las capas de Zn. Esto hace que el espacio de la red se expanda, lo que ayuda en gran medida la escisión de materiales en capas tras un calentamiento rápido. De modo que los materiales en capas a granel se exfolian en capas más pequeñas o plaquetas de tamaño nanométrico como resultado de la dramática expansión del intercalante causada por el calor. Estas son las NP de ZnO que inmediatamente se rodearon de los iones de NiO y formaron NP de núcleo-capa de ZNO.

Ilustración del enfoque híbrido para preparar coloides de NiO y ZNO NP: (a) coloides de NiO por PLAL, (b) coloides de ZNO NP usando chorro de plasma, (c) configuración del esquema de partículas de núcleo-capa, (d) Fotografías para los coloides preparados de NP de NiO y ZNO.

Se utilizó el microscopio electrónico de transmisión (TEM) para mostrar la estructura de las NP de ZNO preparadas. Los cuales confirman la formación de la estructura núcleo-cáscara, donde, como se muestra en la Fig. 2a y b, el punto oscuro son las NP de ZnO (núcleo) y está rodeado por el punto claro, que representa las NP de NiO (cáscara). Además, el TEM se tomó solo para NiO antes de agregar el ZnO y la imagen (que se muestra en la Fig. S3, que confirma que el punto de luz son las NP de NiO. A partir de estas imágenes, quedó claro que se forman partículas muy pequeñas, que varían en tamaño de 20 a 100 nm, con un tamaño de partícula promedio de 50,9 nm y una forma casi esférica (que se muestra en la Fig. 2c). La partícula de NiO que se muestra era tan pequeña porque estaba ionizada y el grupo formado en la parte PLAL está roto debido al efecto de la técnica del chorro de plasma. La imagen FESEM que se muestra en la Fig. 2e y f muestra la morfología y distribución de las NPs core-shell formadas. Mostró una distribución uniforme y tiene una forma elíptica. También muestra cuánto Las NP de NiO cubren las NP de ZnO y la cantidad de esa partícula que es pequeña. El resultado del espectro de anuncios de mapeo EDX muestra la formación exitosa de NP de núcleo-capa de ZNO como se muestra en la Fig. 3. Donde la Fig. 3a y b revelan la aglomeración de znic y la formación de anopartículas de níquel y la Fig. 3c muestran la distribución uniforme de oxígeno que se les acusa con rosa, verde y amarillo respectivamente, lo que sugiere la encapsulación exitosa de ZnO con NiO. Como se muestra en la Fig. 3d, hay una cantidad muy pequeña de NiO en la solución coloidal, lo que confirma que se convirtió en una capa de ZnO. Este resultado de ZnO fue envejecido con S. Sardar et al. donde también se muestra la formación de forma esférica44 Este resultado también concuerda con el resultado de AAS, que da 50 ppm para ZnO y 5,8 ppm para NiO, mientras que cuando medimos el NiO después de PLAL, da 60 ppm, y esta también es otra indicación que todas las partículas de ZnO están cubiertas con partículas de NiO porque tiene una mayor concentración en el coloidal utilizado.

(a) imagen TEM de las ZNO NP preparadas a 80 nm, (b) imagen TEM de las ZNO NP preparadas a 30 nm, (c) histograma de ZNO NP, (d) espectro EDX de ZNO NP, (e) y ( f) Imagen FESEM de ZNO NPs a 200 nm.

El mapeo EDX y el espectro EDX de ZNO NP, (a) mapeo EDX de Zn, (b) mapeo EDX de Ni, (c) mapeo EDX de O y (d) espectro EDX de ZNONP.

La figura 4 muestra el patrón de XRD para NP de núcleo-envoltura de ZNO y los datos de XRD estándar para ZnO y NiO6. Se observaron picos de difracción en 2θ = 31,856°, 34,52°, 36,346°, 47,616°, 56,652°, 66,412°, 68,035° y 69,221°, que se indexaron a los índices de Miller de (100), (002), (101), (012), (110), (200), (112) y (201) respectivamente. El patrón de difracción más alto entre 30 y 40° indica la formación de wurtzita ZnO, que concuerda con JCPDS 96–900-4181. El patrón de difracción indica la formación de NiO con un pico observado de 2θ = 62,945°, 75,435° y 79,621°, correspondientes a los planos (202), (311) y (222), respectivamente según JCPDS 96-432-9326 . También indica cristalitos de fase cúbica de NiO, lo cual es consistente con el primer paso de acuerdo con M.Patel et al.45. El tamaño promedio de los cristales se determinó utilizando la ecuación de Debye-Scherrer. (1), donde los ZnO NP son 13,81 nm, y el NiO es 11,08 nm y 13,059 para ZNO NP (consulte la Tabla S1, los detalles de los picos XRD). Estos resultados indican la formación exitosa de partículas de tamaño nanométrico que coincidieron con el resultado de FESEM. Este resultado estuvo de acuerdo con Cheng et al., Gnanamozhi et al. y Xie et al.21,46,47. El patrón de reacción diferente en la Fig. 3c ac en comparación con la Fig. 3a yb (los datos estándar) muestra un acuerdo con el pico de ZnO y el pico de NiO que confirman la formación del núcleo/capa sin ninguna reacción química entre ellos.

Patrón XRD de la muestra preparada, (a) XRD de ZnO, (b) XRD de NiO, (c) XRD de los NP de núcleo / capa de ZNO sintetizados.

La absorción óptica de las NP de núcleo-envoltura de ZNO se midió con un espectrofotómetro UV-vis, lo que proporcionó información sobre las propiedades físicas de las NP preparadas, como la absorción y la banda prohibida de energía. Las figuras 5a y b muestran la absorción y la banda prohibida de ZnO y NiO respectivamente para compararlos con el núcleo/carcasa preparado48,49. La Figura 5c muestra la absorción de NP de núcleo-envoltura de ZNO. Los espectros muestran que el pequeño cambio en los bordes donde se absorbe la luz es causado por la adición de Ni. Cuando se comparan con los espectros de ZnO desnudo, los espectros muestran que hay una fuerte absorción en la región ultravioleta y un corrimiento al rojo. Esto podría deberse a la interacción de los iones ZnO y NiO a través del intercambio sp-d50. Después de agregar NiO, hubo un gran cambio en la forma en que el ZnO absorbió la luz hacia el extremo rojo del espectro visible, lo cual es bueno para la actividad fotocatalítica y antibacteriana al difundir la luz en la superficie interna y hacer que se refleje muchas veces26. El coeficiente de excitación de ZnO está directamente relacionado con su coeficiente de absorción. Cuando los bordes de absorción de las nanopartículas de ZnO aumentan de tamaño, la energía de la banda prohibida óptica y la cantidad de luz que pueden atravesar disminuyen21. Además, se utilizó la extrapolación de la curva hυ frente a (αhυ)2 para determinar la brecha de banda de energía para la muestra preparada. La banda prohibida de energía óptica de las muestras fabricadas puede determinarse utilizando algunas técnicas, como la relación Tauc. La fórmula para la relación Tauc es (αhυ)n = A(hv Eg), donde hυ denota la banda prohibida de energía discreta de la luz, α denota la absorción, A denota una constante que depende de la longitud de las colas de estado localizadas y Por ejemplo, denota la banda prohibida de energía óptica. El valor de la brecha de banda se obtuvo dibujando una línea recta en la curva e intersecándola con h en el eje X que se muestra en la Fig. 5d8. Cuando las NP de NiO se utilizan como cubiertas para las NP de ZnO, la energía de banda prohibida óptica cae de 3,19 eV (ZnO puro) a 2,966 eV. Después de agregar el NiO (cáscara), la brecha de banda se redujo, lo que indica que los iones Ni2+ funcionan como sitios defectuosos en la banda de valencia para reducir la brecha de banda. El efecto de confinamiento cuántico puede explicar la disminución de la energía de banda prohibida y el aumento del tamaño de las partículas. Los límites de grano juegan un papel importante en la disminución de la energía y la transmitancia de la brecha de banda óptica, lo que conduce a una mayor densidad de los límites de grano y es ventajoso para la actividad fotocatalítica y antibacteriana. El porcentaje de degradación fotocatalítica aumenta rápidamente mediante el proceso de sonicación al aumentar la interacción y los múltiples efectos de reflexión. Este hallazgo estaba en un buen acuerdo con el de P. Gnanamozhi et al. y S. Al-Ariki et al.21,26.

Las propiedades ópticas de las NP (a) Absorción óptica de ZnO, (b) la banda prohibida de ZnO, (c) Absorción óptica de NiO, (d) la banda prohibida de NiO, (e) la absorción óptica del ZNO preparado NP, (b) Energía de banda prohibida óptica de ZNO NP.

La CA en la interfaz líquido-sólido se utiliza para evaluar la humectabilidad de los biomateriales in vitro. Un CA bajo denota una superficie que es altamente humectable o hidrófila, lo que da como resultado una película líquida continua que cubre la superficie sólida. Tres fuerzas afectan la humedad de una superficie sólida: la tensión superficial del sólido, la tensión superficial del líquido y la tensión interfacial51,52. La Figura 6 muestra el CA de los coloides ZNO NP preparados, que parece estar entre 15,08 y 14,12, lo que es un resultado excelente y podría llamarse súper hidrofílico, lo que indica una mayor humectabilidad. Entonces, los coloides tienen CA bajo; por lo tanto, la NP en los coloides tiene menor tensión interfacial lo que significa que no hay aglomeración en la partícula, por lo que disminuye la CA y aumenta la humectabilidad en la superficie. Sin embargo, en la capa del núcleo, las fuerzas de atracción fueron menores entre las moléculas con baja CA, lo que disminuyó la tensión de la superficie51. Además, este resultado concuerda con los resultados de TEM y FESEM que muestran que la baja aglomeración en la partícula debido a la cubierta disminuye la fuerza de atracción entre las partículas del núcleo.

La CA de los coloides preparados (ZNO NPs).

Los resultados de CA mostraron que las NP de ZNO preparadas tienen una alta biocompatibilidad debido a su excelente humectabilidad, una propiedad biomaterial crucial. Finalmente, una mayor humectabilidad muestra que los coloides cubren un área más grande, lo que es un signo de fuerte actividad antibacteriana, y también es adecuado para muchas aplicaciones biológicas.

La actividad antibacteriana se ha investigado utilizando el método de difusión en pozos en dos tipos de bacterias, E. coli y S. aureus. Se utilizan tres concentraciones diluidas para las NP de ZNO (25, 50 y 75 µg/mL) para indicar cómo la concentración de NP afectará a las bacterias (consulte la Fig. S4). Las zonas de inhibición de la NP coloidal prepaerd se enumeran en la Tabla 1. La zona de inhibición aumentó con el aumento de la concentración de NP para las bacterias Gram-negativas y Gram-positivas. La actividad antibacteriana de las NP preparadas se produjo debido a la interacción entre la superficie de la NP y los constituyentes de la pared celular; así, los cambios estructurales pueden deberse a las membranas de las células53.

Sin embargo, las bacterias Gram-negativas están compuestas de lipopolisacárido en la membrana externa y una capa delgada de peptidoglicano, que sirve como barrera de permeabilidad primaria para macromoléculas y fármacos hidrofóbicos. Por el contrario, las bacterias Gram-positivas tienen una estructura simple con una membrana que rodea la célula y una pared celular compuesta principalmente por una capa de peptidoglicano y ácidos teicoico y lipoteicoico. Por lo tanto, la zona de inhibición en bacterias Gram-positivas es mayor que en bacterias Gram-negativas54. El daño a las membranas celulares fue causado por el contacto directo con las NP. Dada la eliminación de grupos carboxílicos extra de la superficie celular, la célula bacteriana en su conjunto tenía una carga negativa a pH fisiológico53,55. Por lo tanto, las NP positivas se unen electrostáticamente a la superficie celular negativa, lo que reduce la actividad celular. La penetración y la toxicidad de las NP mataron y lisaron las células. Algunos estudios han sugerido que el pequeño tamaño de las NP puede ayudarlas a penetrar las membranas bacterianas. Las membranas celulares externas tienen poros de tamaño nanométrico y las NP pueden penetrarlas56,57. Por lo tanto, la transferencia de masa de la membrana no está controlada. Las NP dañan las membranas celulares a través de especies reactivas de oxígeno (ROS), como los radicales superóxido (O2-) e hidroxilo (OH-), o daño celular directo. Las NP de óxido metálico producen radicales superóxido e hidroxilo, que dañan las células. ROS oxida los dobles enlaces en los fosfolípidos, aumentando la fluidez de la membrana y el estrés osmótico. Las ROS pueden dañar los cofactores de la enzima hierro-azufre. El tamaño, la concentración y la estabilidad de las NP en el medio de crecimiento afectan la actividad bactericida58,59.

Las tasas de inhibición de ZNO NP determinadas usando Eq. (2) se muestran en la Fig. 7. Los resultados mostraron una buena tasa de inhibición para todas las concentraciones, que fueron 62,8, 71,2 y 80,8 para E. coli y 55,6, 64,4 y 82,4 para S. aureus, respectivamente. Estos resultados se deben al estrecho contacto de las NP de NiO (cubierta), lo que permitió que las NP de ZnO (núcleo) entraran en estrecho contacto con la membrana e indujeran la ruptura de las bacterias contraídas. La deposición o acumulación de las NP de ZnO en la superficie de la bacteria, que conduce a bacterias citotóxicas y una concentración de ZnO relativamente mayor dentro de la célula, conduce a la muerte celular. Además, el uso del material core-shell de ZNO evitará que las bacterias se alimenten en el medio de cultivo55,60. Además, el NiO experimenta una transición a través del comportamiento de la célula, lo que ayuda al ZnO (núcleo) a penetrar la barrera bacteriana y dispersar la partícula en un área grande. Además, los NP de ZNO pueden dificultar que la célula produzca y descomponga los componentes hemo, que son necesarios para que varias proteínas hemo funcionen correctamente y para que la célula obtenga iones de hierro. Estas posibilidades se demuestran y prueban con A. Kubacka et al. Estudio61. Por lo tanto, recubrir el núcleo del óxido metálico con otro óxido metálico u otro material mejora su actividad antibacteriana a un nivel más alto que usarlo solo. Al comparar este resultado con otro resultado como el de KS Khashan et al., nuestro resultado muestra una zona de inhibición más alta para las NP53 preparadas. Además, en comparación con P. Gnanamozhi et al. estudio, que utilizó NPs de ZnO dopadas con Ni en bacterias Gram-negativas y Gram-positivas, la inhibición máxima en bacterias Gram-negativas fue de 15 mm, mientras que en nuestro estudio alcanzó 20,2 mm21.

Eficiencia de inhibición de ZNO NP.

Como se muestra en la Fig. 8, se usó la tinción dual con naranja de acridina/bromuro de etidio (AO/EtBr) para determinar qué cepas bacterianas estaban vivas y cuáles muertas antes de usar la microscopía de fluorescencia para probar la actividad antibacteriana de las nanopartículas producidas en S. aureus y cepas bacterianas de E. coli. Cuando se une al ácido nucleico de bacterias vivas, el naranja de acridina emite una fluorescencia verde (Fig. 8a y c). Por otro lado, el bromuro de etidio se une predominantemente al ácido nucleico de bacterias muertas y emite una fluorescencia roja o naranja (Fig. 7b yd)62,63. Por lo tanto, el color de las células vivas será verde, mientras que el color de las células muertas será rojo. Todas las células bacterianas no tratadas para ambos tipos de cepas bacterianas emitieron fluorescencia verde en la Fig. 8a y c, lo que demuestra su viabilidad. El tratamiento con NP de ZNO hace que casi todas las células se vuelvan rojas, lo que muestra que hay más células muertas que en las células no tratadas. Por lo tanto, las NP de ZNO tuvieron el mayor efecto sobre ambos tipos de bacterias64. Las nanopartículas afectaron más a S. aureus que a E. coli debido a las variaciones en la estructura de la membrana celular. Los nanomateriales pueden alterar el ADN de las bacterias de varias maneras, incluido el daño endógeno y exógeno. Las especies reactivas de oxígeno (ROS) pueden formarse cuando atacan fuentes endógenas. El metabolismo celular normal da como resultado la producción de ROS en las células65. Estos radicales libres son increíblemente inestables y pueden reaccionar con otras sustancias en una fracción de segundo. Los radicales libres y el ADN desencadenaron una serie de eventos que condujeron a las lesiones genotóxicas66. Los mecanismos de destrucción de las nanopartículas contra las bacterias se ilustran en la Fig. 9.

La imagen microscópica de fluorescencia de S. aureus y E. coli donde (a) y (c) son la cepa bacteriana de control respectivamente y (b), (d) son las bacterias tratadas con ZNO NP.

La ilustración de los mecanismos de destrucción de las nanopartículas contra las bacterias.

El efecto de las NP sobre la viabilidad celular de los glóbulos blancos se ha medido utilizando un espectrofotómetro de microplacas ELISA. La actividad de los nanomateriales contra el sistema biológico y las células es un factor importante para los requisitos de biomateriales, lo que los hace adecuados para aplicaciones médicas. Por lo tanto, la respuesta de los glóbulos blancos a las NP de núcleo-envoltura de ZNO se investigó a través de un ensayo de MTT después de 24 h de exposición a NP donde el color violeta de MTT se vuelve más claro con el aumento en el porcentaje de nanomateriales, lo que significa que el vivo las células han disminuido (ver Fig. S5). La figura 10 demuestra la tasa de viabilidad celular para las NP preparadas a diferentes concentraciones (0, 25, 50 y 75 µg/mL), que se determinó usando la ecuación. (3). La viabilidad celular mínima a la concentración de ZNO NPs (75 g/mL) es del 50,73 %, que todavía está dentro del rango aceptable. Además, podemos usar la concentración más baja para obtener el efecto de ZNO NPs, que muestran una buena viabilidad celular y menor toxicidad celular. Además, la toxicidad de las NP de ZNO podría deberse a la alta concentración de ZnO, mientras que algunos estudios indican que el aumento de la concentración de ZnO conduce a un mayor daño celular debido a los cambios en el PH que rodea la célula55.

Tasa de viabilidad celular de ZNO NP.

Las nuevas técnicas híbridas propuestas forman con éxito el núcleo-capa de las NP de ZNO. Según el resultado, las NP de ZNO preparadas tienen un tamaño pequeño, una distribución uniforme y ninguna agregación porque el NiO (capa) actúa como un estabilizador eficaz y evita que el ZnO ( núcleo) se toquen entre sí y los cubra. La formación del núcleo-capa de las NP de ZNO se confirma mediante XRD, FESEM, TEM y EDX. Los resultados de CA mostraron que las NP de ZNO preparadas tienen una alta biocompatibilidad debido a su excelente humectabilidad, una propiedad crucial del biomaterial. Además, una mayor humectabilidad muestra que los coloides cubren un área más grande, lo que es un signo de fuerte actividad antibacteriana, y también es adecuado para muchas aplicaciones biológicas. Además, la imagen microscópica de fluorescencia confirmó la muerte bacteriana al usar los NP de ZNO. Los resultados muestran que las NP de ZNO preparadas tienen una excelente actividad antibacteriana contra las bacterias Gram-negativas y Gram-positivas, incluso a bajas concentraciones. Por lo tanto, el revestimiento del núcleo del óxido metálico con otro óxido metálico u otro material mejora su actividad antibacteriana a un nivel más alto. que usarlo solo. Finalmente, el PLAL es un método fácilmente escalable, rentable y respetuoso con el medio ambiente para la síntesis de NP, y las NP preparadas con núcleo y cubierta podrían usarse en otras aplicaciones biológicas, como la administración de fármacos, el tratamiento del cáncer y una mayor funcionalización biomédica.

Las paletas de níquel y zinc se compran a Sigma-Aldrich con una pureza del 99,98 % (el resultado XRD que se muestra en las Figs. S1, S2 para ambas paletas) con un espesor de 1 mm. El níquel con una dimensión de 1 cm × 1 cm se usó como objetivo láser y el zinc con una dimensión de 1 cm × 4 cm se usó como objetivo de chorro de plasma. El agua destilada, que se destiló utilizando el sistema de purificación de agua Millipore, se utilizó en este estudio.

Los objetivos de níquel y zinc se purifican para eliminar la contaminación de la superficie mediante lijado (con un papel espacial) y un limpiador ultrasónico profesional en el laboratorio de plasma, departamento de física, Universidad de Bagdad, Irak. La ablación con láser se llevó a cabo utilizando Nd:YAG con conmutación de Q operado a una longitud de onda de 1064 nm. Para la ablación se emplearon 800 mJ de energía láser con una tasa de repetición de 7 Hz y una duración de pulso de 10 ns. Para realizar la ablación con láser, el rayo láser se enfocó en el objetivo utilizando una lente positiva con una distancia focal de 9 cm y un tamaño de punto de 2,5 mm. El chorro de plasma contiene gas argón (99 % de pureza) y una fuente de alimentación de alto voltaje de fabricación local que oscila entre 10 y 20 kV. Se utilizó espectrometría de absorción atómica (AAS-Perkin Elmer, Analyst 400, 2014) para medir la concentración de NP presentes en la solución coloidal, que mide el número de átomos en el rango de parte por billón (ppm = µg/mL) en la Universidad de Bagdad en el departamento de ciencias de la vida. La medición de AAS se repitió tres veces para cada muestra y se tomó el promedio. Se usó la difracción de rayos X (XRD) para examinar la estructura cristalina de la NP de núcleo-corteza ZnO@NiO (ZNO) producida usando un objetivo kα-Cu (λ = 0.15406 nm; el tubo se operó a 45 kV, y la exploración se adquirió en un rango de 2θ de 20°–70°). Para calcular el tamaño de grano se utilizó la siguiente ecuación de Debye-Scherrer16,67:

donde D es el tamaño medio del cristal, β es la mitad del máximo de ancho total, k es la constante de Scherrer (0,9), λ es la constante de rayos X (0,15406 nm) y α es el ángulo de Braggs53. Las características ópticas se midieron utilizando un modelo de espectrofotómetro UV-Vis (Metertech, espectrofotómetro SP8001, Japón) en el rango de 100-1000 nm en el Departamento de Ingeniería Láser y Optoelectrónica de la Universidad de Tecnología. Se utilizó microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) para evaluar la morfología de la superficie, el tamaño de las partículas y la composición química de las NP producidas utilizando un JSM-IT800 (origen) equipado con tecnología de rayos X de dispersión de energía (EDX) en DayPetroinc Co. Ltd. Teherán, Irán. La microscopía electrónica de transmisión (TEM, Zeiss, Alemania) se utiliza en DayPetroinc Co. Ltd. en Teherán, Irán, para estudiar el tamaño y la forma de las partículas, así como el crecimiento del núcleo-capa.

El ZNO core@shell se sintetizó utilizando técnicas híbridas en las que el objetivo de níquel se sometió a ablación en agua destilada utilizando técnicas PLAL durante 10 min a temperatura ambiente, luego se utilizó el coloidal producido, que contiene NP de NiO, y se sumergió el objetivo de titanio en él. El objetivo de zinc se eliminó usando la técnica de chorro de plasma durante 10 min y una rata de seguimiento de gas de 3 L/min.

Se utilizaron dos aislados clínicos, Escherichia coli (gramnegativo) y Staphylococcus aureus (grampositivo), para evaluar la actividad antibacteriana de las NP de ZNO. Estos dos aislados bacterianos se transfirieron a medio de agar Mueller-Hinton, se incubaron durante la noche a 37 °C y se mantuvieron en el refrigerador a 4 °C hasta que se necesitaron. Se usaron puntas de micropipetas para crear pozos con diámetros de aproximadamente 6 mm en la superficie de los medios de agar, que luego se llenaron con suspensiones de NP de concentraciones variables. Estas placas se incubaron durante 24 h. La eficacia antibacteriana de las NP de ZNO se determinó midiendo el ancho de las zonas de inhibición desde muchas direcciones con una regla. Todos los experimentos se realizaron por duplicado y el agua purificada sirvió como control negativo68. El porcentaje de actividad antimicrobiana (%) se calculó mediante la siguiente fórmula18:

El estándar utilizado en este trabajo es de 250 µg de antibiótico Emoxiliano con un halo de inhibición de 25 mm.

Para determinar si las cepas bacterianas estaban vivas o muertas en función de la integridad de la membrana, se utilizaron imágenes microscópicas fluorescentes para examinar la actividad antibacteriana de las NP preparadas en las bacterias E. coli y S. aureus. A diferencia del bromuro de etidio (EB), que emite una fluorescencia roja cuando las bacterias están muertas, se utilizó naranja de acridina (AO), que emite una fluorescencia verde, para teñir las cepas bacterianas vivas. En pocas palabras, las bacterias E. coli y S. aureus se colocaron en Eppendorf antes y después de ser tratadas con NP. Después de eso, se añadieron 10 g/ml de AO/EB y la mezcla se dejó reposar durante 2 min. Las muestras se examinaron inmediatamente bajo microscopía fluorescente antes de que las bacterias filtraran sus tintes.

La prueba de viabilidad celular se investigó utilizando glóbulos blancos humanos (la sangre se extrajo de voluntarios sanos de 25 años) en condiciones altamente estériles. Los glóbulos blancos con una densidad de 1*104 células/ml en una placa de pocillos se expusieron a NP y luego se incubaron a 37 °C durante 24 h. Posteriormente, la placa se vertió y se lavó con PBS tres veces para eliminar cualquier rastro de NP. Luego, se agregaron 10 μL de solución de colorante MTT a las placas de pocillos y se incubaron durante 4 h a 37 °C. Las células se lavaron varias veces con PBS hasta eliminar el exceso de colorante. Después de que las placas estuvieran completamente secas, los resultados se leyeron utilizando un espectrofotómetro de microplacas ELISA a una longitud de onda de 500 nm. Se utilizó el porcentaje de células vivas en relación con el número total de células para calcular la viabilidad celular; este porcentaje se calculó mediante la siguiente ecuación18:

Todos los procedimientos se realizaron de acuerdo con la directriz numerada (UOT-LOEE-17082020) aprobada por el Comité de Ética y Atención Humana de la División de Biotecnología, Departamento de Ingeniería Láser y Optoelectrónica, Universidad de Tecnología, Bagdad, Irak.

Se tomaron muestras frescas de sangre de donantes sanos y se distribuyeron en tubos recubiertos con heparina según el método del Instituto Nacional de Salud y la Administración de Alimentos y Medicamentos y según la declaración y regulación de Helsinki de 1975 como una declaración de principios éticos. Se obtuvo el permiso de los hospitales de la ciudad médica de Bagdad, Irak, y fue aprobado por el comité de ética institucional de la Universidad Tecnológica de Bagdad, Irak (Ref. No. LOEE 13–17–08–2020). Se informó a los participantes del estudio sobre el valor del estudio antes de que empezáramos a recopilar datos o muestras. Se obtuvo el consentimiento y/o asentimiento informado de los participantes del estudio.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por el Plasma Physics Lab., Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Bagdad, proporcionando los equipos y dispositivos necesarios.

Estos autores contribuyeron por igual: Hadeel J. Imran y Kadhim A. Aadim.

Departamento de Ingeniería Láser y Optoelectrónica, Universidad de Tecnología de Irak, Bagdad, Irak

Hadeel J. Imran y Kadhim A. Hubatir

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Bagdad, Bagdad, Irak

Kadhim A. Aadim

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HJI y KAA; metodología, recursos, investigación, HJI; software, análisis formal, curación de datos, redacción—preparación del borrador original, KAH; redacción—revisión y edición, KAH y KAA; supervisión, administración de proyectos. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Kadhim A. Hubetir.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Imran, HJ, Hubetir, KA y Aadim, KA Un método novedoso para la síntesis de nanopartículas de núcleo-capa de ZnO @ NiO utilizando ablación láser de pulso en técnicas de chorro de plasma y líquido. Informe científico 13, 5441 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32330-z

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Recibido: 12 enero 2023

Aceptado: 26 de marzo de 2023

Publicado: 03 abril 2023

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

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