Nano kẽm oxit – Tìm hiểu cơ chế diệt khuẩn và các tính chất đặc trưng

Kẽm oxit là một thành phần thiết yếu của nhiều loại enzym, chất chống nắng và thuốc mỡ để giảm đau và giảm ngứa. Các vi tinh thể của nó là chất hấp thụ ánh sáng rất hiệu quả trong vùng quang phổ UVA và UVB do dải tần rộng. Tác động của kẽm oxit đối với các chức năng sinh học phụ thuộc vào hình thái, kích thước hạt, thời gian tiếp xúc, nồng độ, độ pH và khả năng tương thích sinh học của nó. Chúng có hiệu quả hơn đối với các vi sinh vật như Bacillus subtilis , Bacillus megaterium , Staphylococcus aureus , Sarcina lutea , Escherichia coli , Pseudomonas aeruginosa , Klebsiella pneumonia , Pseudomonas vulgaris , Candida albicans , vàAspergillus niger . Cơ chế hoạt động được quy cho việc kích hoạt các hạt nano kẽm oxit bằng ánh sáng, chúng xuyên qua thành tế bào vi khuẩn thông qua sự khuếch tán. Từ ảnh SEM và TEM của tế bào vi khuẩn đã được xác nhận rằng các hạt nano kẽm oxit phân hủy màng tế bào và tích tụ trong tế bào chất, nơi chúng tương tác với các phân tử sinh học gây ra hiện tượng chết tế bào dẫn đến chết tế bào.

Cơ chế diệt khuẩn của nano kẽm oxit

(Bản quyền NanoCMM Technology)

GIỚI THIỆU

Công nghệ nano liên quan đến sản xuất và ứng dụng các vật liệu có kích thước lên đến 100 nm. Chúng được sử dụng rộng rãi trong một số quy trình bao gồm khoa học vật liệu, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, y tế và các ứng dụng chẩn đoán. Các hợp chất vô cơ kích thước nano đã cho thấy hoạt tính kháng khuẩn đáng chú ý ở nồng độ rất thấp do tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao và các tính năng hóa học và vật lý độc đáo [ 11 ]. Ngoài ra, các hạt này cũng ổn định hơn ở nhiệt độ và áp suất cao [12 ]. Một số trong số chúng được công nhận là không độc hại và thậm chí còn chứa các nguyên tố khoáng rất cần thiết cho cơ thể con người [ 13 ]. Người ta đã báo cáo rằng các vật liệu vô cơ có tính kháng khuẩn cao nhất là các hạt nano kim loại và các hạt nano oxit kim loại như bạc, vàng, đồng, oxit titan và kẽm oxit [ 14 , 15 ].

Kẽm là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho hệ thống của con người, nếu không có kẽm nhiều enzym như carbonic anhydrase, carboxypeptidase và alcohol dehydrogenase trở nên không hoạt động, trong khi hai thành viên khác, cadmium và thủy ngân thuộc cùng một nhóm nguyên tố có cùng cấu hình điện tử, là độc hại. . Nó rất cần thiết cho sinh vật nhân thực vì nó điều chỉnh nhiều chức năng sinh lý [ 16 , 17 ]. Muối tre, có chứa kẽm, được sử dụng làm thuốc thảo dược để điều trị chứng viêm bằng cách điều chỉnh hoạt động của caspase-1. Các hạt nano kẽm oxit đã được chứng minh là làm giảm biểu hiện mRNA của các cytokine gây viêm bằng cách ức chế sự hoạt hóa của NF-kB (tế bào nhân tố nhân kappa B) [ 18 ].

Trên toàn cầu, nhiễm trùng do vi khuẩn được công nhận là vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Sự đột biến vi khuẩn mới, sự kháng thuốc kháng sinh, sự bùng phát của các chủng gây bệnh, v.v. đang gia tăng, và do đó, việc phát triển các tác nhân kháng khuẩn hiệu quả hơn là nhu cầu của thời đại. Kẽm oxit được biết đến với đặc tính kháng khuẩn từ thời xa xưa [ 19 ]. Nó đã được sử dụng trong chế độ của các Pharaoh, và các ghi chép lịch sử cho thấy rằng kẽm oxit đã được sử dụng trong nhiều loại thuốc mỡ để điều trị vết thương và nhọt ngay cả vào năm 2000 trước Công nguyên [ 20 ]. Nó vẫn được sử dụng trong kem dưỡng da chống nắng, như một chất bổ sung, vật liệu quang dẫn, đèn LED, bóng bán dẫn trong suốt, pin mặt trời, thiết bị nhớ [ 21 , 22 ], mỹ phẩm [ 23 , 24], và xúc tác [ 25 ]. Mặc dù một lượng đáng kể ZnO được sản xuất hàng năm, nhưng một lượng rất nhỏ được sử dụng làm thuốc [ 26 ]. Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ đã công nhận kẽm oxit (21 CFR 182.8991) là an toàn [ 27 ]. Nó được đặc trưng bởi tính chất quang xúc tác và quang oxy hóa chống lại các chất sinh hóa [ 28 ].

Kẽm oxit đã được phân loại theo phân loại nguy hiểm của EU là N; R50-53 (độc với sinh thái). Các hợp chất của kẽm gây độc cho động vật có vú và thực vật ở dạng vết [ 29 , 30 ]. Cơ thể con người chứa khoảng 2-3 g kẽm, và nhu cầu hàng ngày là 10–15 mg [ 29 , 31 ]. Không có báo cáo nào chứng minh khả năng gây ung thư, độc tính trên gen, và độc tính sinh sản ở người [ 29 , 32 ]. Tuy nhiên, bột kẽm hít vào hoặc ăn vào có thể tạo ra một tình trạng gọi là sốt kẽm, sau đó là ớn lạnh, sốt, ho, v.v.

Hình thái của các hạt nano kẽm oxit phụ thuộc vào quá trình tổng hợp. Chúng có thể là thanh nano, tấm nano [ 33 , 34 , 35 ], nanospheres [ 36 ], hộp nano [ 35 ], lục giác, giá ba chân [ 37 ], tetrapod [ 38 ], dây nano, ống nano, dây nano [ 39 , 40 , 41 ], nanocages , và hoa nano [ 42 , 43 ]. Các hạt nano kẽm oxit hoạt động hơn trong việc chống lại vi khuẩn gram dương so với các NP khác của cùng một nhóm nguyên tố. Thức ăn chế biến sẵn dễ bị nhiễm khuẩn Salmonella , Staphylococcus aureus hơnvà E. coli gây thách thức lớn đối với chất lượng và an toàn thực phẩm. Các hợp chất chống vi khuẩn được tích hợp trong thực phẩm đóng gói để ngăn chúng bị hư hỏng. Bao bì kháng khuẩn có chứa vật liệu không độc hại có tác dụng ức chế hoặc làm chậm sự phát triển của vi sinh vật có trong thực phẩm hoặc vật liệu đóng gói [ 44 ]. Chất kháng khuẩn dùng cho người phải có các đặc tính sau.

  1. a) Nó sẽ không độc hại.
  2. b) Nó không nên phản ứng với thực phẩm hoặc hộp đựng.
  3. c) Nó phải có hương vị tốt hoặc không vị.
  4. d) Nó không nên có mùi khó chịu.

Hạt nano kẽm oxit là một trong những oxit kim loại vô cơ đáp ứng tất cả các yêu cầu trên, và do đó, nó có thể được sử dụng một cách an toàn làm thuốc, chất bảo quản trong bao bì và chất kháng khuẩn [ 45 , 46 ]. Nó dễ dàng khuếch tán vào nguyên liệu thực phẩm, tiêu diệt vi khuẩn và ngăn ngừa bệnh tật cho con người. Theo các quy định 1935/2004 / EC và 450/2009 / EC của Liên minh Châu Âu, bao bì tích cực được định nghĩa là vật liệu hoạt động tiếp xúc với thực phẩm có khả năng thay đổi thành phần của thực phẩm hoặc bầu không khí xung quanh nó [ 47 ]. Do đó, nó thường được sử dụng làm chất bảo quản và được kết hợp trong vật liệu đóng gói polyme để ngăn nguyên liệu thực phẩm khỏi bị hư hại bởi vi khuẩn [ 48]. Các hạt nano kẽm oxit đã được sử dụng như một chất kháng khuẩn chống lại Salmonella typhi và S. aureus trong ống nghiệm. Trong số tất cả các hạt nano oxit kim loại được nghiên cứu cho đến nay, các hạt nano kẽm oxit có độc tính cao nhất đối với vi sinh vật [ 49]. Nó cũng đã được chứng minh từ hình ảnh SEM và TEM rằng các hạt nano kẽm oxit đầu tiên làm hỏng thành tế bào vi khuẩn, sau đó xâm nhập, và cuối cùng tích tụ trong màng tế bào. Chúng can thiệp vào các chức năng trao đổi chất của vi sinh vật gây ra cái chết của chúng. Tất cả các đặc tính của các hạt nano kẽm oxit phụ thuộc vào kích thước hạt, hình dạng, nồng độ và thời gian tiếp xúc với tế bào vi khuẩn. Hơn nữa, các nghiên cứu phân phối sinh học của các hạt nano kẽm oxit cũng đã được kiểm tra. Ví dụ, Wang et al. [ 50] đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc tiếp xúc lâu dài với hạt nano kẽm oxit đối với sự phân bố sinh học và chuyển hóa kẽm ở chuột trong 3 đến 35 tuần. Kết quả của họ cho thấy độc tính tối thiểu đối với chuột khi chúng tiếp xúc với hạt nano kẽm oxit 50 và 500 mg / kg trong chế độ ăn. Ở liều cao hơn 5000 mg / kg, hạt nano kẽm oxit làm giảm trọng lượng cơ thể nhưng làm tăng trọng lượng của tuyến tụy, não và phổi. Ngoài ra, nó làm tăng hoạt động transaminase glutamic-pyruvic trong huyết thanh và biểu hiện mRNA của các gen liên quan đến chuyển hóa kẽm như metallothionein. Các nghiên cứu phân bổ sinh học cho thấy sự tích tụ đủ số lượng kẽm trong gan, tuyến tụy, thận và xương. Sự hấp thụ và phân bố của hạt nano kẽm oxit / vi hạt kẽm oxit phụ thuộc phần lớn vào kích thước hạt. Li và cộng sự. [ 51] đã nghiên cứu sự phân bố sinh học của các hạt nano kẽm oxit được cho ăn bằng đường uống hoặc tiêm vào màng bụng cho những con chuột 6 tuần tuổi. Không có tác dụng phụ rõ ràng nào được phát hiện trong các hạt nano kẽm oxit được điều trị bằng miệng trong 14 ngày nghiên cứu. Tuy nhiên, tiêm vào màng bụng 2,5 g / kg thể trọng cho chuột cho thấy sự tích tụ kẽm trong tim, gan, lá lách, phổi, thận và tinh hoàn. Sự gia tăng gần chín lần của hạt nano kẽm oxit trong gan được quan sát thấy sau 72 giờ. Các hạt nano kẽm oxit đã được chứng minh là có hiệu quả tốt hơn trong việc phân phối sinh học gan, lá lách và thận so với những con chuột được cho ăn bằng đường uống. Vì các hạt nano kẽm oxit vô hại ở nồng độ thấp, chúng kích thích một số enzym trong cơ thể người và thực vật và ngăn chặn bệnh tật. Singh và cộng sự. [ 52] cũng đã được xem xét gần đây về quá trình sinh tổng hợp của hạt nano kẽm oxit, sự hấp thụ, chuyển vị và chuyển đổi sinh học của chúng trong hệ thống thực vật.

Trong bài đánh giá này, chúng tôi đã cố gắng tổng hợp tất cả thông tin liên quan đến các hạt nano kẽm oxit làm chất kháng khuẩn. Cơ chế tương tác của các hạt nano kẽm oxit chống lại nhiều loại vi khuẩn cũng đã được thảo luận chi tiết.

Hoạt động kháng khuẩn của các hạt nano kẽm oxit

Mọi người đều biết rằng các hạt nano kẽm oxit có khả năng kháng khuẩn và ức chế sự phát triển của vi sinh vật bằng cách thấm vào màng tế bào. Stress oxy hóa làm hỏng lipid, carbohydrate, protein và DNA [ 53 ]. Quá trình peroxy hóa lipid rõ ràng là yếu tố quan trọng nhất dẫn đến sự thay đổi màng tế bào, cuối cùng làm gián đoạn các chức năng quan trọng của tế bào [ 54 ]. Nó đã được hỗ trợ bởi cơ chế ứng suất oxy hóa liên quan đến hạt nano kẽm oxit trong Escherichia coli [ 55 ]. Tuy nhiên, đối với hỗn dịch kẽm oxit số lượng lớn, việc tạo ra H 2 O 2 bên ngoài đã được đề xuất để mô tả các đặc tính chống vi khuẩn [ 56]. Ngoài ra, độc tính của các hạt nano, giải phóng các ion độc hại, đã được xem xét. Vì kẽm oxit có bản chất lưỡng tính nên nó phản ứng với cả axit và kiềm tạo ra các ion Zn 2+ .

Các ion Zn 2+ tự do ngay lập tức liên kết với các phân tử sinh học như protein và carbohydrate, và tất cả các chức năng quan trọng của vi khuẩn không còn tiếp tục. Độc tính của kẽm oxit, các hạt nano kẽm và ZnSO 4 · 7H 2 O đã được thử nghiệm (Bảng  1 ) chống lại Vibrio fischeri . Người ta nhận thấy rằng ZnSO 4 · 7H 2 O độc hơn các hạt nano kẽm oxit và kẽm oxit gấp sáu lần. Các hạt nano thực sự được phân tán trong dung môi, không bị hòa tan và do đó, chúng không thể giải phóng các ion Zn 2+ . Khả dụng sinh học của Zn 2+các ion không phải lúc nào cũng là 100% và có thể luôn thay đổi theo pH sinh lý, thế oxy hóa khử và các anion liên kết với nó như Cl – hoặc SO 4 2− .

Bảng 1 Độc tính (30 phút EC50 , EC20 và NOEC, và MIC) của huyền phù nước oxit kim loại CuSO4 và ZnSO4 .7H2O đối với vi khuẩn Vibrio fischeri [ 59 ]

So sánh độc tính nano kẽm oxit và kẽm sulfate

Độ hòa tan của kẽm oxit (1,6–5,0 mg / L) trong môi trường nước cao hơn so với các hạt nano kẽm oxit (0,3–3,6 mg / L) trong cùng môi trường [ 57 ] gây độc cho tảo và động vật giáp xác. Cả kẽm oxit nano và kẽm oxit dạng khối đều ít độc hơn ZnSO 4 40–80 lần đối với V. fischeri . Hoạt tính kháng khuẩn cao hơn của ZnSO 4 tỷ lệ thuận với độ hòa tan của nó giải phóng các ion Zn 2+ , có tính linh động cao hơn và ái lực lớn hơn [ 58 ] đối với các phân tử sinh học trong tế bào vi khuẩn do điện tích dương trên Zn 2+ và điện tích âm trên các phân tử sinh học .

Vì kẽm oxit và các hạt nano của nó có độ hòa tan hạn chế nên chúng ít độc đối với vi sinh hơn so với ZnSO 4 · 7H 2 O. Hòa tan cao. Tuy nhiên, việc các hạt nano oxit kim loại xâm nhập vào tế bào vi khuẩn là không cần thiết để gây độc [ 59 ]. Sự tiếp xúc giữa các hạt nano và thành tế bào đủ để gây ra độc tính. Nếu đúng, thì cần phải có một lượng lớn các hạt nano kim loại để tế bào vi khuẩn được bao bọc và che chắn hoàn toàn khỏi môi trường của nó, không để dinh dưỡng có cơ hội được hấp thụ để tiếp tục quá trình sống. Vì các hạt nano và ion kim loại nhỏ hơn tế bào vi khuẩn, nên có nhiều khả năng chúng phá vỡ màng tế bào và ức chế sự phát triển của chúng.

Một số oxit kim loại có kích thước nano như ZnO, CuO, Al 2 O 3 , La 2 O 3 , Fe 2 O 3 , SnO 2 và TiO 2 đã được chứng minh là có độc tính cao nhất đối với E. coli [ 49 ]. Các hạt nano kẽm oxit được sử dụng bên ngoài để điều trị các bệnh nhiễm trùng nhẹ do vi khuẩn, nhưng ion kẽm là một nguyên tố vi lượng cần thiết đối với một số vi rút và con người, làm tăng hoạt tính enzym của virut tích hợp [ 45 , 60 , 61]. Nó cũng được hỗ trợ bởi sự gia tăng vi rút hoại tử tuyến tụy truyền nhiễm lên 69,6% khi được điều trị với 10 mg / L Zn [ 46 ]. Nó có thể là do khả năng hòa tan của các ion Zn lớn hơn so với chỉ có ZnO. Hình ảnh SEM và TEM đã chỉ ra rằng các hạt nano kẽm oxit làm hỏng thành tế bào vi khuẩn [ 55 , 62 ] và tăng tính thấm, sau đó là sự tích tụ của chúng trong E. coli ngăn cản sự nhân lên của chúng [ 63 ].

Trong quá khứ gần đây, hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano kẽm oxit đã được nghiên cứu chống lại 4 loại vi khuẩn gram dương và gram âm đã biết, đó là Staphylococcus aureus , E. coli , Salmonella typhimurium và Klebsiella pneumoniae . Người ta quan sát thấy rằng liều lượng ức chế sự phát triển của các hạt nano kẽm oxit là 15 μg / ml, mặc dù trong trường hợp K. pneumoniae , nó thấp tới 5 μg / ml [ 63 , 64]. Người ta nhận thấy rằng với sự gia tăng nồng độ của các hạt nano, sự ức chế sinh trưởng của vi sinh vật tăng lên. Khi chúng được ủ trong thời gian 4–5 giờ với nồng độ tối đa của các hạt nano kẽm oxit là 45 μg / ml, sự phát triển bị ức chế mạnh mẽ. Dự kiến ​​rằng nếu tăng thời gian ủ bệnh, thì sự ức chế sinh trưởng cũng sẽ tăng lên mà cơ chế hoạt động không có nhiều thay đổi [ 63 ].

Người ta đã báo cáo rằng các hạt nano oxit kim loại đầu tiên làm hỏng màng tế bào vi khuẩn và sau đó thấm vào nó [ 64 ]. Người ta cũng đề xuất rằng việc giải phóng H 2 O 2 có thể là một giải pháp thay thế cho hoạt động chống vi khuẩn [ 65 ]. Tuy nhiên, đề xuất này đòi hỏi phải có bằng chứng thực nghiệm vì chỉ sự hiện diện của hạt nano kẽm oxit là không đủ để tạo ra H 2 O 2 . Các hạt nano kẽm hoặc các hạt nano kẽm oxit có nồng độ cực thấp không thể gây độc cho cơ thể con người. Bổ sung kẽm hàng ngày qua thực phẩm là cần thiết để thực hiện các chức năng trao đổi chất thường xuyên. Kẽm oxit được biết là có tác dụng bảo vệ dạ dày và đường ruột khỏi bị E. coli gây hại [65 ]. Độ pH trong dạ dày thay đổi từ 2 đến 5, và do đó, kẽm oxit trong dạ dày có thể phản ứng với axit để tạo ra các ion Zn 2+ . Chúng có thể giúp kích hoạt enzyme carboxy peptidase, carbonic anhydrase và alcohol dehydrogenase giúp tiêu hóa carbohydrate và rượu. Premanathan và cộng sự. [ 66 ] đã báo cáo về độc tính của các hạt nano kẽm oxit đối với tế bào nhân sơ và tế bào nhân chuẩn. MIC của các hạt nano kẽm oxit chống lại E. coli , Pseudomonas aeruginosa và S. aureuslần lượt là 500 và 125 μg / ml. Hai cơ chế hoạt động đã được đề xuất đối với độc tính của các hạt nano kẽm oxit, đó là (1) tạo ROS và (2) cảm ứng quá trình chết theo phương pháp apoptosis. Các hạt nano oxit kim loại gây ra sự sản sinh ROS và đặt các tế bào dưới áp lực oxy hóa gây ra thiệt hại cho các thành phần tế bào, tức là, lipid, protein và DNA [ 67 , 68 , 69 ]. Do đó, các hạt nano kẽm oxit gây ra độc tính thông qua quá trình apoptosis. Chúng tương đối độc đối với các tế bào ung thư hơn so với các tế bào bình thường, mặc dù chúng không thể phân biệt giữa chúng.

Gần đây, Pati et al. [ 70 ] đã chỉ ra rằng các hạt nano kẽm oxit phá vỡ tính toàn vẹn của màng tế bào vi khuẩn, giảm tính kỵ nước của bề mặt tế bào và điều chỉnh quá trình phiên mã của các gen kháng stress oxy hóa ở vi khuẩn. Chúng tăng cường tiêu diệt vi khuẩn nội bào bằng cách tạo ra ROS. Các hạt nano này phá vỡ sự hình thành màng sinh học và ức chế quá trình tan máu bởi độc tố hemolysin do mầm bệnh tạo ra. Việc sử dụng các hạt nano kẽm oxit trong da đã được phát hiện là làm giảm đáng kể tình trạng nhiễm trùng và viêm da ở chuột và cũng cải thiện cấu trúc da bị nhiễm bệnh.

Độ hòa tan và nồng độ- Hoạt động phụ thuộc của hạt nano kẽm oxit

Các hạt nano cũng đã được sử dụng như một chất mang để cung cấp các tác nhân điều trị để điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn [ 1 , 9 ]. Vì các hạt nano kẽm oxit với nồng độ lên đến 100 μg / ml là vô hại đối với các tế bào cơ thể bình thường, chúng có thể được sử dụng như một chất thay thế cho thuốc kháng sinh. Người ta nhận thấy rằng 90% khuẩn lạc bị chết sau khi cho chúng tiếp xúc với liều lượng 500–1000 μg / ml các hạt nano kẽm oxit chỉ trong 6 giờ. Ngay cả S. aureus kháng thuốc , Mycobacterium smegmatis và Mycobacterium bovisKhi được điều trị bằng các hạt nano kẽm oxit kết hợp với liều thấp của thuốc chống lao, rifampicin (0,7 μg / ml), sự phát triển của chúng đã giảm đáng kể. Các mầm bệnh này đã bị tiêu diệt hoàn toàn khi ủ trong 24 giờ với 1000 μg / ml hạt nano kẽm oxit. Do đó, người ta kết luận rằng nếu lặp lại cùng một liều lượng, bệnh nhân mắc các bệnh truyền nhiễm như vậy có thể được chữa khỏi hoàn toàn. Người ta cũng lưu ý rằng kích thước của các hạt nano kẽm oxit nằm trong khoảng từ 50 đến 500 nm có tác dụng giống hệt nhau đối với việc ức chế sự phát triển của vi khuẩn.

Độc tính tế bào của kẽm oxit đã được nhiều nhà nghiên cứu nghiên cứu trên nhiều loại vi sinh vật và hệ thống thực vật [ 71 , 72 , 73 , 74 ]. Độc tính của các hạt nano kẽm oxit phụ thuộc vào nồng độ và độ hòa tan. Nó đã được chứng minh rằng nồng độ tiếp xúc tối đa của huyền phù kẽm oxit (125 mg / l) giải phóng 6,8 mg / l ion Zn 2+ . Độc tính là tác dụng tổng hợp của các hạt nano kẽm oxit và Zn 2+các ion được giải phóng trong môi trường nước. Tuy nhiên, tác động tối thiểu của các ion kim loại đã được phát hiện, điều này cho thấy rằng sự ức chế sự phát triển của vi khuẩn chủ yếu là do sự tương tác của các hạt nano kẽm oxit với vi sinh vật. Tác dụng gây độc tế bào của một hạt nano oxit kim loại cụ thể là nhạy cảm với loài được phản ánh bởi vùng ức chế sinh trưởng đối với một số vi khuẩn [ 75 ].

Có ý kiến ​​cho rằng sự ức chế sinh trưởng của tế bào vi khuẩn xảy ra chủ yếu bởi các ion Zn 2+ được tạo ra bằng cách phân giải ngoại bào của các hạt nano kẽm oxit [ 76 ]. Cho và cộng sự. [ 77 ] đã kết luận từ các nghiên cứu của họ trên chuột rằng các hạt nano kẽm oxit vẫn còn nguyên vẹn ở xung quanh pH trung tính hoặc sinh học nhưng tan nhanh trong điều kiện axit (pH 4,5) trong lysosome của vi sinh vật dẫn đến cái chết của chúng. Điều này đúng vì trong điều kiện có tính axit, kẽm oxit hòa tan và tạo ra các ion Zn 2+ , các ion này liên kết với các phân tử sinh học bên trong tế bào vi khuẩn, ức chế sự phát triển của chúng.

Các hạt nano kẽm oxit đã được chứng minh là có khả năng gây độc tế bào đối với các tế bào có thẩm quyền miễn dịch sơ cấp khác nhau. Phân tích phiên mã cho thấy rằng các hạt nano có một đặc điểm gen chung với sự điều hòa các gen metallothionein tương ứng với sự hòa tan của các hạt nano [ 78 ]. Tuy nhiên, không thể xác định chắc chắn rằng kẽm được hấp thụ là Zn 2+ hoặc kẽm oxit hoặc cả hai, mặc dù các hạt nano kẽm oxit có kích thước nhỏ hơn có nồng độ trong máu lớn hơn các hạt lớn hơn (19 và> 100 nm). Hiệu quả của các hạt nano kẽm oxit chủ yếu phụ thuộc vào môi trường phản ứng tạo thành Zn 2+ và sự xâm nhập của chúng vào tế bào.

Chiang và cộng sự. [ 79 ] đã báo cáo rằng sự phân ly của các hạt nano kẽm oxit dẫn đến phá hủy cân bằng nội môi Zn của tế bào. Các tính chất đặc trưng của hạt nano và tác động của chúng đối với các chức năng sinh học hoàn toàn khác với các đặc tính của vật liệu dạng khối [ 80 ]. Sự tập hợp của các hạt nano ảnh hưởng đến độc tính tế bào của các đại thực bào, và nồng độ của chúng giúp điều chỉnh sự tập hợp của các hạt nano. Các hạt nano kẽm oxit ở nồng độ thấp sẽ không hiệu quả, nhưng ở nồng độ cao hơn (100 μg / ml), chúng thể hiện độc tính tế bào thay đổi từ mầm bệnh này sang mầm bệnh khác.

Việc sử dụng vô ý các hạt nano kẽm oxit đôi khi có thể ảnh hưởng xấu đến hệ thống sống. Quá trình chết rụng và khả năng gây độc gen của chúng trong tế bào gan người và độc tính trên tế bào đã được nghiên cứu. Người ta nhận thấy rằng sự giảm khả năng sống của tế bào gan xảy ra khi chúng tiếp xúc với 14–20 μg / ml các hạt nano kẽm oxit trong 12 giờ. Nó cũng gây ra tổn thương DNA do stress oxy hóa. Sawai và cộng sự. [ 56 ] đã chứng minh rằng sự tạo ROS tỷ lệ thuận với nồng độ của bột kẽm oxit. ROS gây ra sự giảm điện thế màng ty thể dẫn đến quá trình apoptosis [ 81 ]. Việc tế bào hấp thu các hạt nano là không bắt buộc để xảy ra độc tế bào.

Hoạt động kháng khuẩn phụ thuộc vào kích thước của các hạt nano kẽm oxit

Trong một nghiên cứu, Azam et al. [ 82 ] đã báo cáo rằng hoạt động kháng khuẩn chống lại cả vi khuẩn gram âm ( E. coli và P. aeruginosa ) và gram dương ( S. và Bacillus subtilis ) tăng lên khi tăng tỷ lệ bề mặt trên thể tích do giảm kích thước hạt của các hạt nano kẽm oxit. Hơn nữa, trong nghiên cứu này, các hạt nano kẽm oxit đã cho thấy khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn tối đa (25 mm) đối với B. subtilis (Hình  1 ).

Hình 1

Hoạt động kháng khuẩn và / hoặc vùng ức chế được tạo ra bởi các hạt nano kẽm oxit chống lại các chủng vi khuẩn gram dương và gram âm, cụ thể là Escherichia coli , b Staphylococcus aureus , c Pseudomonas aeruginosa , và d Bacillus subtilis [82 ]

nano kẽm oxit tiêu diệt 4 chủng vi khuẩn

Người ta đã báo cáo rằng kích thước nhỏ hơn của các hạt nano kẽm oxit thể hiện hoạt tính kháng khuẩn lớn hơn các hạt có kích thước siêu nhỏ [ 83 ]. Ví dụ, các hạt nano Au 55 có kích thước 1,4 nm đã được chứng minh là tương tác với các rãnh chính của DNA, nguyên nhân gây ra độc tính của nó [ 84 ]. Mặc dù các kết quả trái ngược nhau đã được báo cáo, nhiều công nhân cho thấy tác dụng tích cực của các hạt nano kẽm oxit đối với tế bào vi khuẩn. Tuy nhiên, Brayner et al. [ 63] từ hình ảnh TEM đã chỉ ra rằng hạt nano kẽm oxit có kích thước 10-14 nm đã bị xâm nhập vào bên trong (khi tiếp xúc với vi khuẩn) và làm hỏng màng tế bào vi khuẩn. Điều quan trọng nữa là các hạt nano kẽm / kẽm oxit không được độc hại đối với con người vì chúng gây độc cho tế bào T trên 5 mM [ 85 ] và đối với tế bào u nguyên bào thần kinh trên 1,2 mM [ 86 ]. Nair và cộng sự. [ 87 ] đã độc quyền khám phá ảnh hưởng về kích thước của các hạt nano kẽm oxit đối với độc tính của tế bào vi khuẩn và con người. Họ đã nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt nano kẽm oxit trên cả vi khuẩn gram dương và gram âm và các dòng tế bào ung thư nguyên bào xương (MG-63).

Người ta biết rằng hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano kẽm oxit tỷ lệ nghịch với kích thước của chúng và tỷ lệ thuận với nồng độ của chúng [ 88 ]. Nó cũng đã được nhận thấy rằng nó không cần ánh sáng UV để kích hoạt; nó hoạt động dưới ánh sáng mặt trời bình thường hoặc thậm chí khuếch tán. Hoạt động gây độc tế bào có lẽ bao gồm cả việc sản xuất ROS và tích tụ các hạt nano trong tế bào chất hoặc trên màng tế bào bên ngoài. Tuy nhiên, không thể bỏ qua việc sản xuất H 2 O 2 và sự tham gia của nó vào quá trình hoạt hóa các hạt nano. Raghupathi và cộng sự. [ 88 ] đã tổng hợp các hạt nano kẽm oxit từ các muối kẽm khác nhau và quan sát thấy rằng các hạt nano thu được từ Zn (NO 3 ) 2có kích thước nhỏ nhất (12 nm) và lớn nhất về diện tích bề mặt (90,4). Các tác giả đã chỉ ra rằng sự ức chế sự phát triển của S. aureus ở nồng độ 6 mM của các hạt nano kẽm oxit là phụ thuộc vào kích thước. Nó cũng đã được chỉ ra từ việc xác định tế bào sống sót trong quá trình tiếp xúc của tế bào vi khuẩn với các hạt nano kẽm oxit rằng số lượng tế bào được phục hồi giảm đáng kể khi giảm kích thước của các hạt nano kẽm oxit. Jones và cộng sự. [ 89 ] đã chỉ ra rằng các hạt nano kẽm oxit có đường kính 8 nm đã ức chế sự phát triển của S. aureus , E. coli và B. subtilis.Các hạt nano kẽm oxit có kích thước từ 12 đến 307 nm đã được lựa chọn và xác nhận mối quan hệ giữa hoạt tính kháng khuẩn và kích thước của chúng. Độc tính của chúng đối với vi sinh vật được cho là do sự hình thành các ion Zn 2+ từ kẽm oxit khi nó lơ lửng trong nước và ở một mức độ nào đó cũng có sự thay đổi nhỏ về độ pH. Vì các ion Zn 2+ hiếm khi được giải phóng từ các hạt nano kẽm oxit, nên hoạt tính kháng khuẩn chủ yếu là do các hạt nano kẽm oxit nhỏ hơn. Khi kích thước 12 nm, nó ức chế sự phát triển của S. aureus , nhưng khi kích thước vượt quá 100 nm, tác dụng ức chế là tối thiểu [ 89 ].

Hình dạng, thành phần và độc tính tế bào của các hạt nano kẽm oxit

Các hạt nano kẽm oxit đã cho thấy độc tính tế bào phụ thuộc vào nồng độ và loại tế bào tiếp xúc do độ nhạy khác nhau [ 90 , 91 ]. Sahu và cộng sự. [ 90 ] đã nêu bật sự khác biệt về độc tính tế bào giữa kích thước hạt và độ nhạy cảm khác nhau của tế bào đối với các hạt có cùng thành phần. Trong một nghiên cứu khác gần đây, Ng et al. [ 91] đã kiểm tra độc tính tế bào phụ thuộc vào nồng độ trong tế bào MRC5 ở phổi người. Các tác giả đã báo cáo sự hấp thụ và nội tại của các hạt nano kẽm oxit vào các tế bào MRC5 trong phổi người bằng cách sử dụng điều tra TEM. Các hạt này đã được nhận thấy trong tế bào chất của tế bào dưới dạng các cụm dày đặc điện tử, chúng được quan sát thêm là được bao bọc bởi các túi, trong khi các hạt nano kẽm oxit không được tìm thấy trong các tế bào đối chứng chưa được xử lý. Papavlassopoulos và cộng sự. [ 92] đã tổng hợp các tetrapod hạt nano kẽm oxit hoàn toàn bằng một con đường mới được gọi là “Phương pháp tổng hợp vận chuyển ngọn lửa”. Tetrapod có hình thái khác biệt so với các hạt nano kẽm oxit được tổng hợp thông thường. Sự tương tác của chúng với các tế bào nguyên bào sợi của động vật có vú trong ống nghiệm đã chỉ ra rằng độc tính của chúng thấp hơn đáng kể so với các hạt nano kẽm oxit hình cầu. Tetrapod thể hiện cấu trúc tinh thể wurtzite lục giác với các ion Zn 2+ và O 2− xen kẽ có dạng hình học ba chiều. Chúng ngăn chặn sự xâm nhập của vi rút vào các tế bào sống và được tăng cường hơn nữa bằng cách chiếu sáng chính xác chúng bằng bức xạ UV. Vì các loài tetrapod kẽm oxit có chỗ trống oxy trong cấu trúc của chúng, nên Herpes simplexvirus được gắn vào qua heparan sulfate và bị từ chối xâm nhập vào tế bào cơ thể. Do đó, chúng ngăn ngừa lây nhiễm HSV-1 và HSV-2 trong ống nghiệm. Do đó, các tetrapod kẽm oxit có thể được sử dụng như một tác nhân dự phòng chống lại các bệnh nhiễm vi rút này. Độc tính tế bào của các hạt nano kẽm oxit cũng phụ thuộc vào tốc độ tăng sinh của tế bào động vật có vú [ 66 , 93 ]. Khả năng phản ứng bề mặt và độc tính cũng có thể thay đổi bằng cách kiểm soát khoảng trống oxy trong các tetrapod kẽm oxit. Khi chúng được tiếp xúc với ánh sáng tia cực tím, lượng ôxy trống trong các loài động vật bốn chân dễ dàng tăng lên. Ngoài ra, có thể giảm bớt ôxy trống bằng cách nung chúng trong môi trường giàu ôxy. Do đó, tính chất độc nhất của tetrapod kẽm oxit có thể thay đổi theo ý muốn, do đó làm thay đổi hiệu quả kháng khuẩn của chúng.

Các nghiên cứu trên động vật đã chỉ ra sự gia tăng tình trạng viêm phổi, stress oxy hóa, vv khi tiếp xúc với các hạt nano ở đường hô hấp [ 94 ]. Yang và cộng sự. [ 95 ] đã nghiên cứu độc tính tế bào, độc tính gen và ứng suất oxy hóa của các hạt nano kẽm oxit trên các tế bào nguyên bào sợi của phôi chuột sơ cấp. Người ta quan sát thấy rằng các hạt nano kẽm oxit gây ra độc tính tế bào lớn hơn đáng kể so với các hạt nano cacbon và SiO 2 gây ra . Nó được xác nhận thêm bằng cách đo sự suy giảm glutathione, sản xuất malondialdehyde, ức chế superoxide dismutase và tạo ROS. Các tác dụng gây độc tế bào tiềm ẩn của các hạt nano khác nhau được cho là do hình dạng của chúng.

Các hạt nano phủ polyme

Nhiều bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn lây truyền khi tiếp xúc với tay nắm cửa, bàn phím, vòi nước, bồn tắm và điện thoại; do đó, điều cần thiết là phải phát triển và phủ lên các bề mặt như vậy bằng các chất kháng khuẩn tiên tiến rẻ tiền để ngăn chặn sự phát triển của chúng. Điều quan trọng là phải sử dụng nồng độ các chất kháng khuẩn như vậy để chúng có thể tiêu diệt mầm bệnh nhưng cứu sống con người. Điều này chỉ có thể xảy ra nếu chúng được phủ một lớp polyme ưa nước tương hợp sinh học với chi phí thấp. Schwartz và cộng sự. [ 96 ] đã báo cáo việc điều chế một vật liệu hỗn hợp kháng khuẩn mới hydrogel bằng cách trộn poly ( N-isopropylacrylamide) với các hạt nano kẽm oxit. Hình ảnh SEM của màng tổng hợp cho thấy sự phân bố đồng đều của các hạt nano kẽm oxit. Nó thể hiện hoạt tính kháng khuẩn chống lại E. coli ở nồng độ kẽm oxit rất thấp (1,33 mM). Ngoài ra, lớp phủ được phát hiện là không độc hại đối với dòng tế bào động vật có vú (N1H / 3T3) trong khoảng thời gian 1 tuần. Kẽm oxit / hydrogel nanocompozit có thể được sử dụng một cách an toàn làm lớp phủ y sinh để ngăn mọi người bị nhiễm trùng do vi khuẩn.

Mặc dù các hạt nano kẽm oxit rất ổn định, chúng đã được ổn định hơn nữa bằng cách phủ chúng bằng các polyme khác nhau như polyvinyl pyrolidone (PVP), polyvinyl alcohol ( PVA ), poly (α, γ, L -glutamic acid) (PGA), polyetylen glycol ( PEG), chitosan và dextran [ 97 , 98 ]. Hoạt tính kháng khuẩn của các hạt nano kẽm oxit được thiết kế đã được kiểm tra chống lại các mầm bệnh gram âm và gram dương, cụ thể là E. coli và S. aureus và so sánh với bột kẽm oxit thương mại. Các hạt nano kẽm oxit hình cầu được phủ polyme cho thấy sự phá hủy tế bào vi khuẩn tối đa so với bột kẽm oxit số lượng lớn [ 99]. Vì các hạt nano được phủ bằng polyme ít độc hơn do độ hòa tan thấp và được giải phóng bền vững, nên độc tính tế bào của chúng có thể được kiểm soát bằng cách phủ chúng bằng một loại polyme thích hợp.

Ảnh hưởng của kích thước hạt và hình dạng của các hạt nano phủ polyme đối với hoạt động kháng khuẩn

Ecoli và S. aureus tiếp xúc với các nồng độ khác nhau của các hạt nano kẽm oxit phủ poly ethylene glycol (PEG) (1–7 mM) có kích thước khác nhau (401 nm – 1,2 μm) cho thấy rằng hoạt tính kháng khuẩn tăng lên khi giảm kích thước và tăng nồng độ của các hạt nano. Tuy nhiên, nồng độ hiệu quả trong tất cả các trường hợp này là trên 5 mM. Có một sự thay đổi mạnh mẽ về hình thái tế bào của bề mặt E. coli có thể được nhìn thấy từ ảnh SEM của vi khuẩn trước và sau khi chúng tiếp xúc với các hạt nano kẽm oxit [ 84 ]. Nó đã được chứng minh độc đáo bởi Nair et al. [ 87] rằng các hạt kẽm oxit được phủ PEG và thanh nano kẽm oxit là chất độc đối với tế bào ung thư nguyên bào xương của người (MG-63) ở nồng độ trên 100 μM. Các thanh nano / hạt nano được phủ tinh bột PEG không làm tổn thương các tế bào khỏe mạnh.

Hoạt động kháng khuẩn In Vivo và In Vitro để băng bó vết thương

Trong số tất cả các vật liệu băng vết thương tự nhiên và tổng hợp, băng vi sợi hydrogel chitosan được tẩm các hạt nano kẽm oxit được phát triển bởi Kumar et al. [ 100 ] có hiệu quả cao trong việc điều trị bỏng, vết thương và loét chân do tiểu đường. Các hạt nano có kích thước khoảng 70–120 nm được phân tán trên bề mặt của băng. Các sản phẩm thoái hóa của chitosan được xác định là D -glucosamine và glycosamine glycan. Chúng không độc hại đối với các tế bào vì chúng đã hiện diện trong cơ thể chúng ta để chữa lành vết thương. Vết thương thường chứa P. aeruginosa , S. intermedicus và S. hyicuscũng được xác định từ vết thương trên gạc của chuột và được điều trị thành công bằng băng kẽm oxit chitosan trong khoảng 3 tuần [ 100 ].

Ảnh hưởng của doping đến độc tính của các hạt nano kẽm oxit

Pha tạp chất của các hạt nano kẽm oxit với sắt làm giảm độc tính. Nồng độ của các hạt nano kẽm oxit và Zn 2+ cũng là một yếu tố quan trọng đối với độc tính. Nồng độ làm giảm 50% khả năng sống sót trong các tế bào vi sinh vật tiếp xúc với kẽm oxit nano và microsize rất gần với nồng độ của Zn 2+ làm giảm 50% khả năng sống sót trong các tế bào được xử lý bằng Zn 2+ [ 101 , 102 ].

Việc phủ các hạt nano kẽm oxit bằng mercaptopropyl trimethoxysilan hoặc SiO 2 làm giảm độc tính tế bào của chúng [ 103 ]. Ngược lại, Gilbert et al. [ 104 ] cho thấy rằng trong tế bào BEAS-2B, sự hấp thụ các hạt nano kẽm oxit là cơ chế chính của sự tích tụ kẽm. Ngoài ra, họ đã gợi ý rằng các hạt nano kẽm oxit hòa tan hoàn toàn tạo ra các ion Zn 2+ được liên kết với các phân tử sinh học của tế bào đích. Tuy nhiên, độc tính của các hạt nano kẽm oxit phụ thuộc vào sự hấp thu và tương tác sau đó của chúng với các tế bào đích.

Cơ chế tương tác của các hạt nano kẽm oxit

Các hạt nano có thể độc đối với một số vi sinh vật, nhưng chúng có thể là chất dinh dưỡng cần thiết cho một số chúng [ 55 , 105 ]. Độc tính nano về cơ bản liên quan đến tổn thương màng tế bào vi sinh vật dẫn đến sự xâm nhập của các hạt nano vào tế bào chất và sự tích tụ của chúng [ 55 ]. Tác động của các hạt nano đến sự phát triển của vi khuẩn và vi rút phần lớn phụ thuộc vào kích thước hạt, hình dạng, nồng độ, sự kết tụ, công thức keo và pH của môi trường [ 106 , 107 , 108 ]. Cơ chế hoạt động kháng khuẩn của các hạt nano kẽm oxit đã được mô tả trong Hình  2 .

Hình 2

Cơ chế hoạt động kháng khuẩn của hạt nano kẽm oxit

cơ chế kháng khuẩn nano kẽm oxit

Các hạt nano kẽm oxit nói chung ít độc hơn các hạt nano bạc ở một phạm vi nồng độ rộng (20 đến 100 mg / l) với kích thước hạt trung bình là 480 nm [ 55 , 62 , 63 ]. Các hạt nano oxit kim loại làm hỏng màng tế bào và DNA [ 63 , 109 , 110 , 111 ] của vi khuẩn thông qua sự khuếch tán. Tuy nhiên, không thể bỏ qua việc sản xuất ROS thông qua xúc tác quang gây chết tế bào vi khuẩn [ 112 ]. Phổ UV-Vis của huyền phù hạt nano kẽm oxit trong môi trường nước thể hiện các cực đại trong khoảng từ 370 đến 385 nm [ 113]. Nó đã được chứng minh rằng nó tạo ra ROS (gốc hydroxyl, superoxide và hydrogen peroxide) khi có hơi ẩm, phản ứng rõ ràng với vật liệu tế bào vi khuẩn như protein, lipid và DNA, cuối cùng gây ra quá trình apoptosis. Xie và cộng sự. [ 114 ] đã kiểm tra ảnh hưởng của các hạt nano kẽm oxit lên hình thái tế bào Campylobacter jejuni bằng cách sử dụng hình ảnh SEM (Hình  3 ). Sau 12 giờ điều trị (0,5 mg / ml), C. jejuni được phát hiện là cực kỳ nhạy cảm và các tế bào chuyển từ dạng xoắn ốc sang dạng coccoid. Các nghiên cứu SEM cho thấy sự tăng trưởng của các dạng coccoid trong các tế bào được xử lý và hiển thị sự hình thành các bề mặt tế bào không đều và các mảng thành tế bào (Hình  3a). Hơn nữa, các tế bào coccoid này vẫn còn nguyên vẹn và sở hữu các roi cực có vỏ bọc. Tuy nhiên, hình ảnh SEM của các tế bào không được xử lý cho thấy rõ ràng các hình dạng xoắn ốc (Hình  3b ). Nhìn chung, người ta đã chứng minh được từ ảnh SEM và TEM của các tế bào vi khuẩn được xử lý bằng các hạt nano kẽm oxit rằng chúng bị vỡ ra và trong nhiều trường hợp, các hạt nano làm hỏng thành tế bào buộc chúng phải xâm nhập vào đó [ 114 , 115 ].

Hình 3

Hình ảnh SEM của Campylobacter jejuni . a Các tế bào chưa được xử lý từ cùng điều kiện tăng trưởng được sử dụng làm đối chứng. Các tế bào C. jejuni ở giai đoạn giữa của quá trình tăng trưởng được xử lý với 0,5 mg / ml các hạt nano kẽm oxit trong 12 giờ trong điều kiện vi hiếu khí [ 114 ]

0.5 ppm nano kẽm oxit sau 12h tiếp xúc vi khuẩn campylobacter jejuni

Các hạt nano kẽm oxit có tác động mạnh đến bề mặt tế bào và có thể được kích hoạt khi tiếp xúc với ánh sáng UV-Vis để tạo ra ROS (H2O2 ) thấm vào cơ thể tế bào trong khi các loại ROS tích điện âm như O 2 2− vẫn hoạt động bề mặt tế bào và ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của chúng [ 116 , 117 ]. Hoạt động chống vi khuẩn của các hạt nano kẽm oxit chống lại nhiều vi khuẩn khác cũng đã được báo cáo [ 1 , 5 , 114 , 115 ]. Từ hình ảnh TEM đã chỉ ra rằng các hạt nano có tác động mạnh đến bề mặt tế bào (Hình  4 ).

Hình 4

Hình ảnh TEM của các tế bào Salmonella typhimurium bình thường chưa được điều trị. b Ảnh hưởng của hạt nano lên tế bào (được đánh dấu bằng mũi tên). c , d Hình ảnh hiển vi của các tế bào S. typhimurium bị suy giảm và vỡ ra được xử lý bằng các hạt nano kẽm oxit [ 115 ]

Hình ảnh TEM của tế bào vi khuẩn khi tiếp xúc với nano kẽm oxit

Sinha và cộng sự. [ 118 ] cũng đã chỉ ra ảnh hưởng của các hạt nano kẽm oxit và hạt nano bạc đối với sự phát triển, cấu trúc màng và sự tích tụ của chúng trong tế bào chất của (a) mesophiles: Enterobacter sp. (gam âm) và B. subtilis(gram dương) và (b) halophiles: vi khuẩn ưa màu sp. (gram dương) và Marinobacter sp. (gam âm). Độc tính nano của các hạt nano kẽm oxit chống lại các loài Marinobacter gram âm ưa khí và các loài vi khuẩn ưa khí gram dương cho thấy sự ức chế tăng trưởng 80%. Nó đã được chứng minh rằng các hạt nano kẽm oxit có nồng độ dưới 5 mM không có hiệu quả chống lại vi khuẩn. Kẽm oxit số lượng lớn cũng không ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng và số lượng sống sót, mặc dù chúng cho thấy sự giảm đáng kể các thông số này. Các loài Enterobacter cho thấy sự thay đổi đáng kể về hình thái tế bào và giảm kích thước khi được xử lý bằng kẽm oxit.

Hình ảnh TEM được hiển thị bởi Akbar và Anal [ 115 ] cho thấy màng tế bào bị phá vỡ và sự tích tụ của các hạt nano kẽm oxit trong tế bào chất (Hình  4 ) đã được xác nhận thêm bởi FTIR, XRD và SEM. Người ta cho rằng các ion Zn 2+ được gắn vào các phân tử sinh học trong tế bào vi khuẩn thông qua lực tĩnh điện. Chúng thực sự được phối hợp với các phân tử protein thông qua cặp electron duy nhất trên nguyên tử nitơ của phần protein. Mặc dù có tác động đáng kể của các hạt nano kẽm oxit đối với cả hệ vi sinh vật dưới nước và trên cạn cũng như hệ thống con người, vẫn chưa thể xác định được liệu đó là do các hạt nano đơn lẻ hay là tác động kết hợp của các hạt nano kẽm oxit và các ion Zn 2+ [ 55, 106 , 109 , 119 ]. Ảnh hưởng kháng khuẩn của các hạt nano oxit kim loại bao gồm sự khuếch tán của nó vào tế bào vi khuẩn, tiếp theo là giải phóng các ion kim loại và tổn thương DNA dẫn đến chết tế bào [ 63 , 109 , 110 , 111 ]. Việc tạo ra ROS thông qua xúc tác quang cũng là một lý do của hoạt tính kháng khuẩn [ 62 , 112 ]. Wahab và cộng sự. [ 120] đã chỉ ra rằng khi các hạt nano kẽm oxit được ăn vào, diện tích bề mặt của chúng sẽ tăng lên, kéo theo đó là tăng khả năng hấp thụ và tương tác với cả mầm bệnh và các enzym. Do đó, các hạt nano kẽm oxit có thể được sử dụng trong việc ngăn ngừa hệ thống sinh học khỏi nhiễm trùng. Rõ ràng từ hình ảnh TEM (Hình  5a, b ) của E. coli được ủ trong 18 giờ với MIC của các hạt nano kẽm oxit mà chúng đã bám vào thành tế bào vi khuẩn. Màng tế bào bên ngoài bị vỡ dẫn đến ly giải tế bào. Trong một số trường hợp, sự phân cắt tế bào của vi sinh vật không được chú ý, nhưng vẫn có thể nhìn thấy các hạt nano kẽm oxit xâm nhập vào thành tế bào bên trong (Hình  5c, d). Hậu quả của nó là nguyên liệu nội bào bị rò rỉ ra ngoài dẫn đến chết tế bào, bất kể độ dày của thành tế bào vi khuẩn.

Hình 5

Hình ảnh TEM của Escherichia coli ( a ), các hạt nano kẽm oxit với E. coli ở các giai đoạn khác nhau ( b và inset), Klebsiella pneumoniae ( c ), và các hạt nano kẽm oxit với K. pneumoniae ( d và inset) [ 120 ]

Nano kẽm oxit và các giai đoạn tiếp xúc với ecoli

Cơ chế tương tác của các hạt nano kẽm oxit với tế bào vi khuẩn đã được trình bày dưới đây [ 120 ]. Kẽm oxit hấp thụ ánh sáng UV-Vis từ mặt trời và tách các thành phần của nước.

Các phân tử oxy hòa tan được chuyển thành superoxide, O2 – , lần lượt phản ứng với H + để tạo ra gốc HO2 và sau khi va chạm với các electron tạo ra anion hydro peroxit, HO2 – . Sau đó, chúng phản ứng với các ion H + để tạo ra H2O2 .

Người ta cho rằng các gốc hydroxyl tích điện âm và các ion superoxide không thể xâm nhập vào màng tế bào. Các gốc tự do phản ứng mạnh đến mức chúng không thể ở trong tự do và do đó, chúng có thể tạo thành một phân tử hoặc phản ứng với một ion ngược dấu để tạo ra một phân tử khác. Tuy nhiên, đúng là kẽm oxit có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời và giúp phân cắt các phân tử nước có thể kết hợp theo nhiều cách để tạo ra oxy. Cơ chế sản xuất oxy với sự hiện diện của các hạt nano kẽm oxit vẫn cần bằng chứng thực nghiệm.

Kẽm oxit ở liều 5 μg / ml đã được chứng minh là có hiệu quả cao đối với tất cả các vi sinh vật có thể được sử dụng như liều ức chế tối thiểu.

Kết luận

Kẽm là một nguyên tố vô cơ không thể thiếu được sử dụng phổ biến trong y học, sinh học và công nghiệp. Lượng hàng ngày của nó ở một người trưởng thành là 8–15 mg / ngày, trong đó khoảng 5-6 mg / ngày bị mất qua nước tiểu và mồ hôi. Ngoài ra, nó là một thành phần thiết yếu của xương, răng, các enzym và nhiều protein chức năng. Kẽm kim loại là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho sự phát triển của con người, động vật, thực vật và vi khuẩn trong khi các hạt nano kẽm oxit là chất độc đối với nhiều loại nấm, vi rút và vi khuẩn. Những người bị thiếu hụt di truyền cố hữu của protein liên kết kẽm hòa tan bị viêm da acrodermatitis enteropathica, một bệnh di truyền do trăn chỉ ra như da thô và có vảy. Mặc dù đã nhận được nhiều báo cáo mâu thuẫn về các hạt nano do sử dụng và vứt bỏ chúng một cách vô ý, một số hạt nano oxit kim loại rất hữu ích cho con người, động vật và thực vật. Các chất dinh dưỡng thiết yếu sẽ trở nên có hại khi chúng được hấp thụ quá mức. Khả năng gây đột biến của kẽm oxit chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng ở vi khuẩn mặc dù khả năng gây hại DNA đã được báo cáo. Đúng là các hạt nano kẽm oxit được kích hoạt bằng cách hấp thụ tia UV mà không làm ảnh hưởng đến các tia khác. Nếu các hạt nano kẽm oxit tạo ra ROS, chúng có thể làm hỏng da và không thể được sử dụng như màn hình chống nắng. Hoạt động kháng khuẩn có thể được xúc tác bởi ánh sáng mặt trời, nhưng hy vọng, nó có thể ngăn chặn sự hình thành ROS. Các hạt nano kẽm oxit và các hạt nano kẽm được phủ bằng vật liệu cao phân tử hòa tan có thể được sử dụng để điều trị vết thương, vết loét và nhiều bệnh nhiễm trùng do vi sinh vật ngoài ra còn được sử dụng làm chất vận chuyển thuốc trong điều trị ung thư. Nó có tiềm năng to lớn như một loại thuốc kháng khuẩn an toàn có thể thay thế thuốc kháng sinh trong tương lai. Ứng dụng của các hạt nano kẽm oxit trong các lĩnh vực khoa học, y học và công nghệ khác nhau cho thấy rằng nó là một chất không thể thiếu và quan trọng như nhau đối với con người và động vật. Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với nồng độ cao hơn có thể gây hại cho hệ thống sống.

 

Nguồn tham khảo:

Properties of Zinc Oxide Nanoparticles and Their Activity Against Microbes

Khwaja Salahuddin Siddiqi 1, Aziz Ur Rahman 2, Tajuddin 2, Azamal Husen 3
Affiliations