นาโนซิงค์ออกไซด์ และซิงค์ออกไซด์ทั่วไปได้รับการเปรียบเทียบประสิทธิภาพในการต่อต้านเชื้อแบคทีเรียและเชื้อรา
นาโนเทคโนโลยีได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้นในอุตสาหกรรมยาและเครื่องสำอาง และมีความสำคัญอย่างยิ่งในฐานะวิธีการในการฆ่าหรือลดการทำงานของจุลินทรีย์หลายชนิด วัสดุต้านเชื้อแบคทีเรียจากธรรมชาติ เช่น สังกะสีและเงิน ถือว่ามีคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรียที่ดี พบว่าอนุภาคซิงค์ออกไซด์ที่มีขนาดนาโนมีฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรียได้ชัดเจนกว่าอนุภาคขนาดใหญ่ ศักยภาพในการต่อต้านเชื้อแบคทีเรีย/เชื้อราของ นาโนซิงค์ออกไซด์ ZnO ต่อเชื้อก่อโรค 5 ชนิด (Escherichia coli MTCC 443, Staphylococcus aureus MTCC 3160, Bacillus subtilis MTCC 441, Aspergillus niger MTCC 281, Candida albicans MTCC 227) และผลของขนาดอนุภาคของผงอนินทรีย์นี้ต่อประสิทธิภาพในการต่อต้านเชื้อแบคทีเรีย/เชื้อราได้รับการตรวจสอบในการศึกษานี้
แนะนำ
นาโนเทคโนโลยีถูกมองว่าเป็นสาขาที่กำลังเติบโตและมีศักยภาพที่จะปฏิวัติวงการยาและเครื่องสำอาง นาโนเทคโนโลยีหรือการใช้สารที่มีขนาดองค์ประกอบในระดับอะตอมหรือโมเลกุล กำลังถูกนำมาประยุกต์ใช้กับยาและเครื่องสำอางมากขึ้น และได้รับความสนใจมากขึ้นในฐานะแนวทางในการฆ่าหรือลดการทำงานของจุลินทรีย์หลายชนิด สารต่อต้านแบคทีเรียบางชนิดที่พบตามธรรมชาติ เช่น สังกะสีและเงิน เชื่อกันว่ามีคุณสมบัติต่อต้านแบคทีเรียได้ดี การเน่าเสียจากจุลินทรีย์ในสูตรเครื่องสำอางเป็นเรื่องที่น่ากังวลสำหรับอุตสาหกรรมเครื่องสำอางโดยเฉพาะ การใช้สารกันเสียที่อนุญาตโดยข้อบังคับใหม่ 1123/209 ถือเป็นข้อบังคับเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากจุลินทรีย์ และเพื่อปกป้องผลิตภัณฑ์จากการปนเปื้อนที่ไม่พึงประสงค์จากผู้บริโภคตลอดอายุการเก็บรักษา อย่างไรก็ตามตั้งแต่ไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมเครื่องสำอางต้องเผชิญกับข้อจำกัดบางประการเกี่ยวกับการใช้สารกันเสียบางชนิด ดังนั้น การพัฒนาสารกันบูดชนิดใหม่ๆ จึงมีความสนใจเป็นอย่างมาก ในบรรดาวัตถุดิบที่แสดงคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรีย/เชื้อรา ผงอนินทรีย์ เช่น สังกะสีออกไซด์ (ZnO) ถือเป็นทางเลือกที่มีอนาคตแทนสารกันบูดทางเคมีเหล่านี้ [1, 2] สังกะสีออกไซด์เป็นสารกึ่งตัวนำ II-VI ที่ไม่เป็นพิษซึ่งมีแบนด์แก๊ปกว้าง (3.37eV) และมีค่าการนำไฟฟ้าชนิด n ตามธรรมชาติ [3, 4] เนื่องจากสังกะสีออกไซด์มีคุณสมบัติที่น่าสนใจ เช่น ความโปร่งใสทางแสง การนำไฟฟ้า ความเป็นไฟฟ้าพีโซ การปล่อยแสงใกล้รังสี UV [5, 6, 7, 8, 9, 10] และมีสัณฐานวิทยาต่างๆ จึงทำให้สังกะสีออกไซด์กลายเป็นหนึ่งในนาโนวัสดุที่มีความน่าดึงดูดใจมากที่สุดสำหรับวัตถุประสงค์ทางการวิจัย คุณสมบัติที่สำคัญทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในเครื่องปล่อยรังสี UV ตัวแปลงสัญญาณ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงแบบโปร่งใส อุปกรณ์คลื่นเสียงพื้นผิว ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า เซ็นเซอร์แก๊ส ฯลฯ [11]
การใช้ซิงค์ออกไซด์ในครีมและเจลเครื่องสำอางช่วยให้มีคุณสมบัติเป็นครีมกันแดดและต่อต้านเชื้อแบคทีเรีย [12] ประสิทธิผลของการกระทำของสารเหล่านี้ส่วนใหญ่ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารออกฤทธิ์ สังกะสีออกไซด์ แต่ยังขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค ความแปรปรวน และระดับของการกระจายตัวของอนุภาคด้วย นอกจากนี้ สังกะสีออกไซด์ (ZnO) ยังอยู่ในรายชื่อ “ที่ยอมรับโดยทั่วไปว่าปลอดภัย” (GRAS) โดยสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (21CFR182.8991) อนุภาค ZnO ขนาดนาโนได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรียที่เด่นชัดกว่าอนุภาคขนาดใหญ่ เมื่อพิจารณาจากข้อเท็จจริงที่ว่าขนาดเล็ก (น้อยกว่า 100 นาโนเมตร) และอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรที่สูงของอนุภาคนาโนอาจทำให้มีปฏิสัมพันธ์กับแบคทีเรียได้ดีขึ้น การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนเหล่านี้มีพิษเฉพาะต่อแบคทีเรียแต่มีผลเพียงเล็กน้อยต่อเซลล์ของมนุษย์ [1, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19] แม้ว่าจะมีการใช้ ZnO ในเครื่องสำอางหรือขี้ผึ้งทางเภสัชกรรมมาเป็นเวลานานแล้ว แต่ยังไม่ได้มีการศึกษาคุณสมบัติในการต่อต้านแบคทีเรียอย่างเต็มที่ในบริบทของการเก็บรักษาผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง การศึกษาเชิงระบบและเชิงรายละเอียดได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงคำกล่าวข้างต้นเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรียและเชื้อราที่ได้รับการปรับปรุงของ นาโนซิงค์ออกไซด์ เมื่อเปรียบเทียบกับการศึกษาแบบเดิม ดังนั้น วัตถุประสงค์ของเอกสารฉบับนี้คือประการแรกเพื่อสาธิตศักยภาพในการต่อต้านเชื้อแบคทีเรีย/เชื้อราของ ZnO ต่อเชื้อก่อโรค 5 ชนิด (Escherichia coli MTCC 443, Staphylococcus aureus MTCC 3160, Bacillus subtilis MTCC 441, Aspergillus niger MTCC 281, Candida albicans MTCC 227) ที่ใช้สำหรับการทดสอบความท้าทาย และประการที่สองเพื่อพิจารณาผลของขนาดอนุภาคของผงอนินทรีย์นี้ต่อประสิทธิภาพในการต่อต้านเชื้อแบคทีเรีย/เชื้อรา
ส่วนทดลอง
วัสดุ
อนุภาคนาโนสังกะสีออกไซด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 65 นาโนเมตรได้รับการสังเคราะห์และนำมาใช้ในการศึกษานี้ รูปที่ 1 แสดงภาพ TEM ตัวแทนของอนุภาค นาโนซิงค์ออกไซด์ ขนาด ~65 นาโนเมตร โดยใช้อนุภาค นาโนซิงค์ออกไซด์ ทั่วไปที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ~1,000 นาโนเมตรสำหรับการเปรียบเทียบ
การคัดเลือกเชื้อก่อโรคทดสอบ
จุลินทรีย์ก่อโรคที่เลือกมาศึกษา ได้แก่ แบคทีเรีย 3 ชนิด ได้แก่ Escherichia coli (MTCC 443), Staphylococcus aureus (MTCC 3160), Bacillus subtilis (MTCC 441) และเชื้อรา 2 ชนิด ได้แก่ Aspergillus niger (MTCC 281) และ Candida albicans (MTCC 227)
การเตรียมสารละลายเจือจางของสารประกอบสังเคราะห์
ชั่งน้ำหนักอนุภาคแต่ละอนุภาคจำนวน 10 มก. (อนุภาคนาโนสังกะสีออกไซด์และสังกะสีออกไซด์ปกติ) อย่างแม่นยำและละลายใน DMSO ปริมาตร 10 มล. เพื่อผลิตสารละลายที่มีความเข้มข้น 1 มก./มล. เจือจางสารละลายข้างต้น 1 มิลลิลิตรอีกครั้งเป็น 10 มิลลิลิตรด้วย DMSO เพื่อผลิตสารละลายที่มีความเข้มข้น 100 µg/ml
เตรียมอาหารเลี้ยงเชื้อวุ้น (สำหรับแบคทีเรีย)
ผงวุ้น 5.6 กรัมละลายในน้ำกลั่น 150 มล. แล้วให้ความร้อน นำตัวกลางไปฆ่าเชื้อด้วยกระบวนการออโตเคลฟที่อุณหภูมิ 115 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 30 นาที
การเตรียมผงวุ้น Sabouraud Dextrose (สำหรับเห็ด)
9.20 กรัม Sabouraud Dextrose Agar ละลายในน้ำกลั่นและให้ความร้อน นำตัวกลางไปฆ่าเชื้อด้วยกระบวนการออโตเคลฟที่อุณหภูมิ 115 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 30 นาที
เตรียมน้ำซุปคุณค่าทางโภชนาการ
ละลายแบคทีเรีย/เชื้อรา 0.75 กรัมในน้ำกลั่น 30 มล. แล้วให้ความร้อน จากนั้นทำการฆ่าเชื้อตัวกลางด้วยการนึ่งฆ่าเชื้อที่อุณหภูมิ 115 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 30 นาที
เตรียมวิธีการเสียบไม้ฆ่าเชื้อแบคทีเรียและเชื้อรา
ขวด Nessler จำนวน 5 ขวดได้รับการฆ่าเชื้อด้วยความร้อนในเตาอบที่อุณหภูมิ 160 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 30 นาที เช็ดตู้ระบายอากาศแบบลามินาร์ด้วยสำลีที่แช่ในเอธานอลและ UV ON เป็นเวลา 15 นาที เทอาหารแบคทีเรียและเชื้อราแห้งลงในถัง Nessler ที่ผ่านการฆ่าเชื้อแล้วจำนวน 5 ถัง (แบคทีเรีย 3 ถัง และเชื้อรา 2 ถัง) แล้วทิ้งไว้ในตำแหน่งเอียงจนกระทั่งอาหารในถังแข็งตัว ห่วงแบบแข็งใช้ในการถ่ายโอนวัฒนธรรมแบคทีเรียและเชื้อราไปยังกระบอกสูบที่เล็กกว่า จากนั้นติดฉลากถังเนสเลอร์และติดสำลีที่ปาก แล้วฟักที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส ยกเว้นเชื้อรา Aspergillus niger (ฟักที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส) เป็นเวลา 24 ชั่วโมง จากแต่ละสายพันธุ์ ส่วนเล็ก ๆ จะถูกถ่ายโอนลงในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีสารอาหารแยกกัน 3 มล. และฟักที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 24 ชั่วโมง ผู้คนถ่ายโอนสารตัวกลางทั้งห้ารายการข้างต้นปริมาณ 0.1 มิลลิลิตรลงในขวดทรงกรวยที่มีฝาปิดจำนวน 5 ขวด ซึ่งบรรจุสารละลาย NaCl 0.9%
ฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรีย: การกำหนดความเข้มข้นขั้นต่ำในการยับยั้งและความเข้มข้นขั้นต่ำในการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย/เชื้อรา
ความเข้มข้นที่ยับยั้งขั้นต่ำ (MIC) ถูกกำหนดสำหรับอนุภาคซิงค์ออกไซด์แบบธรรมดาและขนาดนาโนที่แสดงกิจกรรมต้านเชื้อแบคทีเรียและเชื้อราต่อเชื้อก่อโรคที่ทดสอบโดยใช้วิธีการเจือจางแบบอนุกรม ดำเนินการวิธีการเจือจางน้ำซุปเพื่อกำหนดค่า MIC นำตัวกลาง 1 มิลลิลิตรใส่ลงในหลอดทดลอง จากนั้นเติมสารละลายทดสอบ 1 มิลลิลิตร (100µg/ml) ลงไป จากนั้นเติมเชื้อจุลินทรีย์ (แบคทีเรีย/เชื้อรา) ที่เตรียมไว้ 0.1 มล. ใน NaCl 0.9% ลงในหลอดทดลองที่มีตัวกลางและสารละลายทดสอบ ดำเนินการเจือจางแบบต่อเนื่องห้าครั้งสำหรับความเข้มข้น 50, 25, 12.5, 6.25, 3.75, 1.5 µg/ml คลุมหลอดทดลองด้วยสำลีแล้วฟักที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส ระยะเวลาการฟักตัวแตกต่างกันไปในแต่ละสายพันธุ์ (แบคทีเรีย/เชื้อรา) เช่น 24 ชั่วโมงสำหรับแบคทีเรีย และ 1 สัปดาห์สำหรับเชื้อรา
ค่า MIC ถือเป็นความเข้มข้นต่ำสุดของอนุภาคในหลอดทดลองที่ไม่ขุ่นหลังจากการบ่มเพาะ ความขุ่นของเนื้อหาในหลอดทดลองหมายถึงการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ที่มองเห็นได้ ความเข้มข้นขั้นต่ำของแบคทีเรีย/เชื้อรา (MBC/MFC) ถูกกำหนดโดยการฉีดเชื้อใต้หลอดทดลองแต่ละหลอดปริมาณ 50µl โดยไม่ปรากฏการเจริญเติบโตที่ชัดเจน ความเข้มข้นต่ำสุดของสารทดสอบที่ไม่แสดงการเจริญเติบโตที่มองเห็นได้เมื่อทำการเพาะเชื้อย่อยคือ MBC/MFC
ผลลัพธ์และการอภิปราย
อนุภาคนาโนสังกะสีออกไซด์ได้รับการระบุลักษณะอย่างสมบูรณ์แล้ว ภาพ TEM ตัวแทนของอนุภาคนาโน ZnO (~65 นาโนเมตร) แสดงอยู่ในรูปที่ 1 ประการที่สอง คุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรียของอนุภาค ZnO ทั่วไปและอนุภาคนาโน ZnO ได้รับการตรวจสอบ ทั้งแบบธรรมดาและแบบนาโนอนุภาคแสดงให้เห็นฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรียต่อ Escherichia coli MTCC 443, Staphylococcus aureus MTCC 3160 และ Bacillus subtilis MTCC 441 โดยมีผลต่อขนาดตามขนาด รูปที่ 2 และ 3 แสดงพฤติกรรมของประชากรแบคทีเรียหลังจากการฟักกับอนุภาค ZnO ทั่วไปและอนุภาคนาโน ZnO เป็นเวลา 24 ชั่วโมง ความเข้มข้นยับยั้งขั้นต่ำของอนุภาคนาโน ZnO (ดังที่แสดงในตารางที่ 1)
พบว่าแบคทีเรียสามชนิด ได้แก่ Escherichia coli MTCC 443, Staphylococcus aureus MTCC 3160 และ Bacillus subtilis MTCC 441 มีความเข้มข้น 6.25µg/ml, 6.25µg/ml, 12.5µg/ml ตามลำดับ ซึ่งน้อยกว่าความเข้มข้นของอนุภาคซิงค์ออกไซด์ทั่วไปมาก (25µg/ml, 12.5µg/ml, 12.5µg/ml ตามลำดับ) ในทำนองเดียวกัน จำนวนแบคทีเรียขั้นต่ำสำหรับอนุภาคนาโน ZnO น้อยกว่าในแต่ละกรณีเมื่อเทียบกับจำนวนแบคทีเรียสำหรับอนุภาค ZnO ทั่วไป (ตารางที่ 1 และ 2) รูปที่ 4 และ 5 แสดงการเจริญเติบโตของแบคทีเรียอย่างรุนแรงบนแผ่นที่มีอนุภาคซิงค์ออกไซด์ปกติ และการเจริญเติบโตของแบคทีเรียน้อยลงบนแผ่นที่มีอนุภาคนาโน ZnO ความแตกต่างของความไวต่อสารทดสอบเดียวกันในสายพันธุ์ทั้งสามนี้อาจเกิดจากความแตกต่างด้านโครงสร้างและทางเคมี
ผนังเซลล์แบคทีเรียของพวกเขา [20] ตามการศึกษาวิจัยของ Yamamoto et al. ในปี 2000 [21] พบว่าการมีอยู่ของอนุมูลออกซิเจนที่มีปฏิกิริยา (ROS) ที่เกิดจากอนุภาคนาโน ZnO เป็นสาเหตุของกิจกรรมการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย Zhang และคณะ ในปี 2010 [22] แนะนำเพิ่มเติมว่าพฤติกรรมต่อต้านแบคทีเรียของอนุภาคนาโน ZnO อาจเกิดจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ หรือระหว่างสารเคมีชนิดอื่นที่ผลิตขึ้นในสภาพที่มีอนุภาคนาโน ZnO และชั้นไขมันสองชั้นนอกของแบคทีเรีย ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่ผลิตขึ้นสามารถแทรกซึมเข้าไปในเยื่อหุ้มเซลล์ของแบคทีเรียและฆ่าพวกมันได้ การศึกษาครั้งนี้ยังแสดงให้เห็นอีกว่าอนุภาค ZnO ขนาดนาโนมีความรับผิดชอบในการยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย [22] นอกจากนี้ Padmavathy และ Vijayaraghavan, 2008 [23] แสดงให้เห็นกิจกรรมต่อต้านเชื้อแบคทีเรียของอนุภาคนาโน ZnO ตามการค้นพบของพวกเขา เมื่อไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคนาโน ZnO แล้ว อนุภาคนาโนเหล่านั้นจะยังคงสัมผัสกับแบคทีเรียที่ตายแล้วเพื่อป้องกันไม่ให้แบคทีเรียทำงานต่อไป และจะยังคงสร้างและปล่อยไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์สู่สิ่งแวดล้อมต่อไป ผลการศึกษาปัจจุบันสอดคล้องกับผลการศึกษาของผู้เขียนข้างต้น โดยแสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโน ZnO มีฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรียได้ดีเยี่ยม สังกะสีออกไซด์ยังแสดงฤทธิ์ต้านเชื้อราด้วย แต่ในระดับน้อยกว่าสารต้านแบคทีเรีย เนื่องจากไม่มีรายงานฤทธิ์ต้านเชื้อรา อนุภาคนาโน ZnO แสดงฤทธิ์ต่อต้านเชื้อรา Aspergilllus Niger และ Cadida ablicans ที่ความเข้มข้น 12.5µg/ml และ 6.25µg/ml ตามลำดับ ความเข้มข้นนี้จะสูงขึ้นอีกครั้งสำหรับอนุภาค ZnO ทั่วไป นั่นคือ 25 และ 12.5 ตามลำดับ (ตารางที่ 1) พบว่าจำนวนเชื้อราขั้นต่ำสำหรับอนุภาคนาโนสังกะสีออกไซด์ใกล้เคียงกับความเข้มข้นยับยั้งขั้นต่ำ นั่นคือ 12.5 µg/ml และ 6.25 µg/ml ตามลำดับ คล้ายกับกรณีของอนุภาค ZnO ทั่วไปในกรณีของเชื้อรา Aspergillus niger ซึ่ง MFC (25µg/ml) มีค่าใกล้เคียงกับ MIC (25µg/ml) แต่กิจกรรมต้านเชื้อรากับ Candida albicans แสดงรูปแบบที่แตกต่างกันเมื่อพิจารณาว่า MFC (25µg/ml) มากกว่า MIC (12.5µg/ml) รูปที่ 6 และรูปที่ 7 แสดงการเจริญเติบโตของเชื้อราอย่างแข็งแกร่งบนแผ่นที่มีอนุภาคซิงค์ออกไซด์ปกติ และการเจริญเติบโตของเชื้อราที่น้อยลงบนแผ่นที่มีอนุภาคนาโน ZnO
.
บทสรุป
ผลในการศึกษาครั้งนี้ชี้ให้เห็นว่าอนุภาค นาโนซิงค์ออกไซด์ มีฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรียอย่างแข็งแกร่งและต้านเชื้อราได้ดีกับแบคทีเรียและเชื้อราบางสายพันธุ์เมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคซิงค์ออกไซด์ทั่วไป จากการสรุป การศึกษาปัจจุบันชี้ให้เห็นว่าอนุภาคนาโนสังกะสีออกไซด์อาจเป็นสารต้านแบคทีเรียและเชื้อราในการรักษาการติดเชื้อที่เกิดจากแบคทีเรียและเชื้อรา ในอนาคตอนุภาคนาโนเหล่านี้อาจเข้ามาแทนที่สารกันเสียแบบเดิมในเครื่องสำอางได้ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรีย/เชื้อรา ความปลอดภัย และกลไกโดยละเอียดของอนุภาคนาโนสังกะสีออกไซด์ในหลอดทดลองและในร่างกาย
แหล่งที่มา