Une nouvelle méthode pour le noyau ZnO@NiO

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5441 (2023) Citer cet article

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Compte tenu de leur nature polyvalente et de leur large éventail d'applications possibles, les nanoparticules (NP) cœur-coquille ont reçu une attention considérable. Cet article propose une nouvelle méthode pour synthétiser des nanoparticules noyau-coque ZnO@NiO en utilisant une technique hybride. La caractérisation démontre la formation réussie de nanoparticules noyau-coque ZnO@NiO, qui ont une taille cristalline moyenne de 13,059 nm. Les résultats indiquent que les NP préparées ont une excellente activité antibactérienne contre les bactéries Gram-négatives et Gram-positives. Ce comportement est principalement causé par l'accumulation de NP ZnO@NiO à la surface de la bactérie, ce qui entraîne des bactéries cytotoxiques et une augmentation relative de ZnO, entraînant la mort cellulaire. De plus, l'utilisation d'un matériau core-shell ZnO@NiO empêchera les bactéries de se nourrir dans le milieu de culture, entre autres raisons. Enfin, le PLAL est une méthode facilement évolutive, rentable et respectueuse de l'environnement pour la synthèse des NP, et les NP noyau-enveloppe préparées pourraient être utilisées dans d'autres applications biologiques telles que l'administration de médicaments, le traitement du cancer et une fonctionnalisation biomédicale supplémentaire.

Les nanoparticules sont actuellement considérées comme un outil puissant et le domaine le plus efficace pour les études de recherche en raison de leurs propriétés uniques qui dépendent de leur taille. Le préfixe « Nano » représente dix puissances à moins neuf puissances, ce qui est appelé une échelle nanométrique1. Les particules d'un diamètre inférieur à 100 nm sont appelées nanoparticules. Les nanoparticules métalliques (NP) présentent des avantages significatifs dans divers domaines, notamment la médecine, la biodétection, les sciences biomédicales, les cosmétiques, l'alimentation et l'électronique2,3.

Les scientifiques et les chercheurs s'intéressent beaucoup à l'hybridation de divers éléments à l'échelle nanométrique en raison de leurs caractéristiques physicochimiques uniques, telles qu'électriques, optiques, catalytiques et thermiques4. Ces propriétés uniques et nouvelles résultent de la combinaison des caractéristiques de divers matériaux et de l'effet de la réduction de la taille des particules de la macro à la nanostructure, ce qui conduit à une augmentation du rapport surface/volume, suivie d'un changement complet des propriétés physicochimiques5,6 ,7.

Ces dernières années, un nouveau type de NP hybrides appelé « NP cœur-coquille » a été développé, composé de deux ou plusieurs types de nanomatériaux uniques8. Les chercheurs ont découvert que la majorité des caractéristiques physiques des NP dépendent de leurs surfaces nanostructurées en raison des caractéristiques des NP qui contribuent à augmenter le nombre de liaisons pendantes qui affectent leurs propriétés physicochimiques. Ces qualités pourraient être encore améliorées en utilisant un matériau de revêtement pour créer la coque externe de cette forme nanostructurée par passivation chimique en tant que processus de réduction ultérieur du noyau. Ce processus est connu sous le nom de formation « noyau-coquille ». De plus, la couche de coque pourrait améliorer les propriétés physicochimiques du matériau de base, comme son activité catalytique et ses propriétés non linéaires9, conduisant à de nouvelles propriétés uniques qui pourraient accélérer le développement dans plusieurs domaines d'application10,11.

L'intérêt de la recherche pour l'oxyde de zinc (ZnO) a augmenté, en particulier dans les nanotechnologies, pour synthétiser le ZnO à l'échelle nanométrique en raison de ses propriétés et de ses applications12,13,14,15. Il est crucial dans la création d'éventuels médicaments antimicrobiens ainsi que dans des domaines scientifiques et technologiques tels que l'optique non linéaire, les appareils électriques, la catalyse et les applications médicales pour leur grande surface et leur haute cristallinité16,17. Les NP ZnO ont été utilisées comme agents antibactériens en raison de leur efficacité contre les souches résistantes aux agents pathogènes, de leur faible toxicité et de leur résistance à la chaleur18,19,20. Les performances du système photocatalytique du semi-conducteur à oxyde métallique sont améliorées par l'utilisation de métaux de transition tels que Fe, Co, Ni et Mn. Parce que le nickel a le même état de valence et le même rayon ionique que les autres métaux de transition, il peut leur être ajouté (comme core@shell) pour augmenter leur activité photocatalytique et antibactérienne. De plus, il présente d'excellentes activités photocatalytiques et antibactériennes lorsqu'il est utilisé comme noyau avec différents oxydes métalliques21,22,23,24. Dans ce travail, nous avons choisi NiO comme coque pour ZnO car NiO a la même caractéristique que l'on ne trouve pas dans d'autres matériaux; le plus important est la transition à travers la cellule, ce qui lui donne la capacité de maintenir le matériau de base aux cellules. Cette propriété renforce l'effet du matériau de base et ouvre la porte à un grand nombre d'applications, notamment dans le domaine biomédical et celui des médicaments. Cette structure est d'abord proposée dans ce travail.

Il existe de nombreuses techniques pour synthétiser les nanoparticules, y compris le dépôt laser pulsé, la préparation sol-gel, la coprécipitation chimique, la décomposition thermique, les méthodes hydrothermales, etc.8,25,26. Récemment, une méthode hybride a été utilisée qui comprend l'ablation par laser pulsé dans un liquide (PLAL) et la technique du jet de plasma en raison de leurs nombreux avantages, notamment la rentabilité, le respect de l'environnement et l'absence d'équipement coûteux27,28. De plus, ils n'ont pas besoin d'un temps de loge pour se préparer, juste quelques bonbons à la menthe. Le principal mécanisme de fabrication des nanomatériaux PLA peut être illustré comme suit : interaction laser-matière (absorption d'une impulsion laser par un matériau) ; la formation, l'expansion et le refroidissement d'un panache de plasma ; la génération d'ondes de choc; et la formation, l'expansion et l'effondrement de bulles dans un milieu liquide14,15,16,17. Alors que dans la technique du jet de plasma, une large gamme d'espèces réactives d'oxygène et d'azote (RONS) produites par des sources de plasma non thermiques à pression atmosphérique est cruciale pour cette application22,29. Étant donné que les RONS générés par plasma modifient la composition chimique d'un liquide, les interactions plasma-liquide sont cruciales dans la production de nanomatériaux29,30,31,32,33. L'ozone, l'oxygène singulet, le peroxyde d'hydrogène, les radicaux hydroxyle et l'oxyde nitrique ne sont que quelques-uns des RONS courants créés lors des interactions plasma-liquide8,34.

L'alcool et la bétadine (povidone iodée) sont de puissants microbicides capables d'éliminer toutes sortes de bactéries, virus, champignons et autres micro-organismes35. Selon Lavelle et al., l'absorption d'iode chez certains patients a provoqué des anomalies inexpliquées et une insuffisance rénale36. Cette solution peut être utilisée en toute sécurité sur une peau séchée, mais si elle est appliquée sur une plaie, elle peut provoquer des réactions allergiques chez certains utilisateurs et provoquer une irritation grave (Hwang et al., 1986), et elle retardera également le processus de guérison, laissant des cicatrices derrière37 . De plus, il ne doit pas être appliqué sur des incisions chirurgicales ou des plaies telles que des brûlures, et l'iode est absorbé par les femmes enceintes, ce qui nuit à leurs enfants à naître. Cependant, le problème avec les antibiotiques est l'émergence de souches résistantes et la possibilité que des souches microbiennes deviennent résistantes à un ou plusieurs antibiotiques. Si les tissus nourriciers sont infectés, les plaies résistantes se propagent rapidement et peuvent même entraîner la mort du patient. Lorsque des crises graves comme des tremblements de terre, des inondations ou de grands incendies entraînent soudainement un grand nombre de patients souffrant de blessures superficielles et profondes dans les hôpitaux, contrôler les souches persistantes et prévenir les épidémies est devenu particulièrement difficile38.

Les chercheurs concentrent maintenant leur attention sur des agents antimicrobiens alternatifs et plus récents pour remplacer les antimicrobiens courants ou pour les utiliser occasionnellement pour prévenir l'épidémie de souches résistantes en raison d'une sensibilisation accrue de la communauté à la santé, des inconvénients apparents de la bétadine et de l'alcool et du développement de multi- microbes résistants à plusieurs médicaments19,39. La nanotechnologie est un domaine multidisciplinaire qui combine les sciences fondamentales et appliquées telles que la biophysique, la biologie moléculaire et la bioingénierie40. La réduction de taille est une opération unitaire fondamentale qui a un large éventail d'applications en pharmacie41,42.

À notre connaissance, il n'existe aucune étude synthétisant la structure des NP cœur-coquille ZnO@NiO (ZNO). De plus, nous proposons une nouvelle méthode hybride pour la synthèse de la structure noyau-coquille qui comprend le PLAL en deux étapes et le jet de plasma. L'objectif principal de cette recherche est de synthétiser les NP ZNO, de les utiliser comme antibactériens et de déterminer leur effet sur les cellules. (globules blancs). Il s'agit également de la première étude de l'effet des NP ZNO sur Escherichia coli (Gram-négatif) et Staphylococcus aureus (Gram-positif). De plus, l'image microscopique à fluorescence a été utilisée pour montrer la souche bactérienne avant et après le traitement. Les propriétés morphologiques et optiques des NP préparées sont étudiées à l'aide de TEM, FESM, AAS, EDX, XRD et UV-Vis.

Une nouvelle technique a été utilisée pour préparer les NP cœur-coque ZNO appelées techniques hybrides, qui comprend deux étapes. Tout d'abord, la pastille métallique de Ni a été immergée dans de l'eau distale et ablatée avec le laser Nd: YAG à 800 mJ pendant 10 min. Dans un second temps, la pastille de Ni a été remplacée par une pastille de Zn et ablatée à l'aide d'un jet de plasma de 12 kV et 3 m3/s pendant 10 min dans le même milieu (NiO NPs colloïdal). Les techniques hybrides ont formé avec succès des NP noyau-enveloppe ZnO @ NiO (ZNO), qui ont montré un changement de couleur évident (Fig. 1). Les NP NiO ont d'abord été synthétisés dans l'eau distale, et la couleur de l'eau est devenue colloïdale transparente jaune clair (peut voir à travers), puis convertie en colloïde gris opaque ou non transparent (ne peut pas voir à travers) après la formation du Noyau-coque ZNO (Fig. 1d). La concentration de chaque particule a été mesurée à l'aide de l'AAS. Dans ce processus, ZnO est le noyau et NiO est la coquille. Le processus de formation est expliqué comme suit : Le cycle d'ablation laser dans l'eau commence avec le faisceau laser sur la surface cible immergée dans un milieu liquide. Le plasma est généré immédiatement par le faisceau laser, appelé « plasma induit par laser », éliminant la surface de la cible solide. Après développement du plasma dans l'atmosphère liquide, le plasma est immédiatement confiné par le milieu liquide ; par conséquent, l'état thermodynamique du plasma induit par laser est entièrement différent18,43. Ensuite, les atomes ablatés de la cible s'agrègent dans l'eau et forment les nanoparticules. Dans le cas du jet de plasma, le plasma généré ionise l'eau de la solution colloïdale et les NP de NiO, provoquant une expansion dans la couche de surface de Zn et permettant au petit ion de s'adapter facilement entre les couches de Zn. Cela provoque l'expansion de l'espace du réseau, ce qui facilite grandement le clivage des matériaux stratifiés lors d'un chauffage rapide. De sorte que les matériaux en couches en vrac s'exfolient en couches plus petites ou en plaquettes de taille nanométrique en raison de l'expansion spectaculaire de l'intercalant causée par la chaleur. Ce sont les NP ZnO qui ont été immédiatement entourés par les ions NiO et ont formé des NP noyau-coque ZNO.

Illustration de l'approche hypride pour la préparation des colloïdes NiO et ZNO NPs : (a) colloïdes NiO par PLAL, (b) colloïdes ZNO NPs utilisant un jet de plasma, (c) schéma de configuration des particules noyau-coquille, (d) photographies pour les colloïdes préparés des NP NiO et ZNO.

Le microscope électronique à transmission (TEM) a été utilisé pour montrer la structure des NP ZNO préparés. Ce qui confirme la formation de la structure cœur-coquille, où, comme le montrent les Fig. 2a et b, le point sombre est les NP ZnO (cœur) et est entouré par le point clair, qui représente les NP NiO (coque). De plus, le TEM a été pris pour NiO seul avant d'ajouter le ZnO et l'image (illustrée à la Fig. S3, qui confirme que la tache lumineuse est le NiO NPs. À partir de ces images, il était clair que de très petites particules se forment, allant dans taille de 20 à 100 nm, avec une taille moyenne de particule de 50,9 nm et une forme presque sphérique (illustrée à la figure 2c).La particule de NiO représentée était si petite car elle était ionisée et l'amas formé dans la partie PLAL est brisé en raison de l'effet de la technique du jet de plasma. L'image FESEM illustrée à la Fig. Les NP de NiO couvrent les NP de ZnO et la quantité de cette particule est petite.Le résultat du spectre d'annonce de cartographie EDX montre la formation réussie de NP de noyau-coquille de ZNO, comme le montre la figure 3. Où les figures 3a et b révèlent l'aglomération de znic et la formation d'une particule de nickel et la figure 3c montrent la distribution uniforme de l'oxygène, ils sont respectivement indiqués par le rose, le vert et le jaune, ce qui suggère l'encapsulation réussie de ZnO avec NiO. Comme le montre la figure 3d, il y a une très petite quantité de NiO dans la solution colloïdale, ce qui confirme qu'elle a été convertie en une coque pour ZnO. Ce résultat de ZnO a été vieilli avec S. Sardar et al. résultat où montrent également la formation de forme sphérique44 Ce résultat est également en accord avec le résultat AAS, qui donne 50 ppm pour ZnO et 5,8 ppm pour NiO, alors que lorsque l'on mesure le NiO après PLAL, il donne 60 ppm, et c'est aussi une autre indication que toutes les particules de ZnO sont recouvertes de particules de NiO car il a une concentration plus élevée dans le colloïdal utilisé.

(a) Image TEM des NP ZNO préparés à 80 nm, (b) Image TEM des NP ZNO préparés à 30 nm, (c) histogramme des NP ZNO, (d) Spectre EDX des NP ZNO, (e) et ( f) Image FESEM des NP ZNO à 200 nm.

La cartographie EDX et le spectre EDX des NP ZNO, (a) la cartographie EDX de Zn, (b) la cartographie EDX de Ni, (c) la cartographie EDX de O et (d) le spectre EDX des ZNONP.

La figure 4 montre le schéma XRD pour les NP noyau-coque ZNO et les données XRD standard pour ZnO et NiO6. Des pics de diffraction ont été observés à 2θ = 31,856°, 34,52°, 36,346°, 47,616°, 56,652°, 66,412°, 68,035° et 69,221° qui ont été indexés aux indices Miller de (100), (002), (101), (012), (110), (200), (112) et (201) respectivement. Le diagramme de diffraction le plus élevé entre 30 et 40 ° indique la formation de wurtzite ZnO, ce qui était cohérent avec JCPDS 96–900-4181. Le diagramme de diffraction indique la formation de NiO avec un pic observé de 2θ = 62,945°, 75,435° et 79,621°, correspondant aux plans (202), (311) et (222), respectivement selon JCPDS 96-432-9326 . Il indique également des cristallites en phase cubique de NiO, ce qui est cohérent avec la première étape d'accord avec M.Patel et al.45. La taille moyenne des cristaux a été déterminée à l'aide de Debye – Scherrer Eq. (1), où les NP ZnO sont de 13,81 nm et le NiO est de 11,08 nm et 13,059 pour les NP ZNO (voir le tableau S1, les détails des pics XRD). Ces résultats indiquent la formation réussie de particules de taille nanométrique, ce qui concorde avec le résultat FESEM. Ce résultat concorde bien avec Cheng et al., Gnanamozhi et al. et Xie et al.21,46,47. La différence de réaction sur la Fig. 3c ac par rapport aux Fig. 3a et b (les données de stander) montre un accord avec le pic ZnO et le pic NiO qui confirment la formation du noyau / coque sans aucune réaction chimique entre eux.

Modèle XRD de l'échantillon préparé, (a) XRD de ZnO, (b) XRD de NiO, (c) XRD des NP synthétisés de noyau/coquille de ZNO.

L'absorption optique des NP noyau-enveloppe ZNO a été mesurée à l'aide d'un spectrophotomètre UV-vis, fournissant des informations sur les propriétés physiques des NP préparées telles que l'absorption et la bande interdite d'énergie. Les figures 5a et b montrent l'absorption et la bande interdite de ZnO et NiO respectivement pour les comparer avec le noyau/coque préparé48,49. La figure 5c montre l'absorption des NP noyau-coquille de ZNO. Les spectres montrent que le petit décalage des bords où la lumière est absorbée est causé par l'ajout de Ni. Comparés aux spectres de ZnO nu, les spectres montrent qu'il y a une forte absorption dans la région ultraviolette et un décalage vers le rouge. Cela pourrait être dû à l'interaction des ions ZnO et NiO via l'échange sp-d50. Après l'ajout de NiO, il y a eu un grand changement dans la façon dont le ZnO a absorbé la lumière vers l'extrémité rouge du spectre visible, ce qui est bon pour l'activité photocatalytique et antibactérienne en diffusant la lumière dans la surface interne et en la faisant réfléchir plusieurs fois26. Le coefficient d'excitation du ZnO est directement lié à son coefficient d'absorption. Lorsque les bords d'absorption des nanoparticules de ZnO grossissent, l'énergie de la bande interdite optique et la quantité de lumière qu'elles peuvent traverser diminuent21. De plus, l'extrapolation de la courbe hυ en fonction de (αhυ)2 a été utilisée pour déterminer la bande interdite d'énergie pour l'échantillon préparé. La bande interdite d'énergie optique des échantillons fabriqués peut être déterminée à l'aide de certaines techniques, telles que la relation Tauc. La formule de la relation Tauc est (αhυ)n = A(hv Eg), où hυ désigne la bande interdite d'énergie discrète de la lumière, α désigne l'absorption, A désigne une constante qui dépend de la longueur des queues d'état localisées, et Eg désigne la bande interdite d'énergie optique. La valeur de la bande interdite a été obtenue en traçant une ligne droite sur la courbe et en l'intersectant avec h sur l'axe X illustré à la Fig. 5d8. Lorsque les NP NiO sont utilisés comme coques pour les NP ZnO, l'énergie de la bande interdite optique passe de 3,19 eV (ZnO pur) à 2,966 eV. Après avoir ajouté le NiO (coquille), la bande interdite a diminué, indiquant que les ions Ni2+ fonctionnent comme des sites de défaut dans la bande de valence pour réduire la bande interdite. L'effet de confinement quantique peut expliquer la diminution de l'énergie de la bande interdite et l'augmentation de la taille des particules. Les joints de grains jouent un rôle important dans la diminution de l'énergie et de la transmittance de la bande interdite optique, ce qui conduit à une densité plus élevée de joints de grains et est avantageux pour l'activité photocatalytique et antibactérienne. Le pourcentage de dégradation photocatalytique est rapidement augmenté par le processus de sonication en augmentant l'interaction et les effets de réflexion multiples. Ce résultat était en bon accord avec celui de P. Gnanamozhi et al. et S. Al-Ariki et al.21,26.

Les propriétés optiques des NPs (a) Absorption optique de ZnO, (b) la bande interdite de ZnO, (c) Absorption optique de NiO, (d) la bande interdite de NiO, (e) ème absorption optique du ZNO préparé NPs, (b) Énergie de la bande interdite optique des NPs ZNO.

L'AC à l'interface liquide-solide est utilisée pour évaluer la mouillabilité des biomatériaux in vitro. Un faible CA indique une surface hautement mouillable ou hydrophile, ce qui se traduit par un film liquide continu recouvrant la surface solide. Trois forces affectent le degré d'humidité d'une surface solide : la tension superficielle du solide, la tension superficielle du liquide et la tension interfaciale51,52. La figure 6 montre le CA des colloïdes ZNO NPs préparés, qui semble se situer entre 15,08 et 14,12, ce qui est un excellent résultat et on pourrait l'appeler un souper hydrophile, ce qui indique une mouillabilité plus élevée. Ainsi, les colloïdes ont un faible CA ; par conséquent, le NP dans les colloïdes a moins de tension interfaciale, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'agglomération dans la particule, il diminue donc le CA et augmente la mouillabilité en surface. Cependant, dans l'enveloppe du noyau, les forces d'attraction étaient plus faibles parmi les molécules à faible CA, ce qui diminuait la tension de la surface51. De plus, ce résultat est en accord avec les résultats TEM et FESEM montrant cette faible agglomération dans la particule due à la coque qui diminue la force d'attraction entre les particules du noyau.

Le CA des colloïdes préparés (ZNO NPs).

Les résultats CA ont montré que les NP ZNO préparés ont une biocompatibilité élevée en raison de leur excellente mouillabilité, une propriété cruciale du biomatériau. Enfin, une mouillabilité plus élevée montre que les colloïdes couvrent une plus grande surface, signe d'une forte activité antibactérienne, et convient également à de nombreuses applications biologiques.

L'activité antibactérienne a été étudiée en utilisant la méthode de diffusion en puits sur deux types de bactéries, E. coli et S. aureus. Trois concentrations diluées sont utilisées pour les NP ZNO (25, 50 et 75 µg/mL) pour indiquer comment la concentration de NP affectera les bactéries (voir Fig. S4). Les zones d'inhibition du NP colloïdal préparé sont répertoriées dans le tableau 1. La zone d'inhibition a augmenté avec l'augmentation de la concentration de NP pour les bactéries Gram-négatives et Gram-positives. L'activité antibactérienne des NP préparées s'est produite en raison de l'interaction entre la surface des NP et les constituants de la paroi cellulaire ; ainsi, les changements structurels peuvent avoir été dus aux membranes des cellules53.

Cependant, les bactéries Gram-négatives sont composées de lipopolysaccharide dans la membrane externe et d'une fine couche de peptidoglycane, qui sert de barrière de perméabilité primaire pour les macromolécules et les médicaments hydrophobes. Au contraire, les bactéries Gram-positives ont une structure simple avec une membrane entourant la cellule ainsi qu'une paroi cellulaire composée principalement d'une couche de peptidoglycane et d'acides teichoïque et lipoteichoïque. Par conséquent, la zone d'inhibition des bactéries Gram-positives est plus grande que celle des bactéries Gram-négatives54. Les dommages aux membranes cellulaires ont été causés par un contact direct avec les NP. Compte tenu de l'élimination des groupes carboxyliques supplémentaires de la surface cellulaire, la cellule bactérienne dans son ensemble avait une charge négative à pH physiologique 53,55. Ainsi, les NP positives se lient électrostatiquement à la surface négative de la cellule, réduisant ainsi l'activité cellulaire. La pénétration et la toxicité des NP ont tué et lysé les cellules. Certaines études ont suggéré que la petite taille des NP pourrait les aider à pénétrer les membranes bactériennes. Les membranes cellulaires externes ont des pores de taille nanométrique et les NP peuvent les pénétrer56,57. Ainsi, le transfert de masse membranaire n'est pas contrôlé. Les NP endommagent les membranes cellulaires via des espèces réactives de l'oxygène (ROS), telles que les radicaux superoxyde (O2-) et hydroxyle (OH-), ou des dommages cellulaires directs. Les NP d'oxydes métalliques produisent des radicaux superoxyde et hydroxyle, qui endommagent les cellules. Les ROS oxydent les doubles liaisons dans les phospholipides, augmentant la fluidité membranaire et le stress osmotique. Les ROS peuvent endommager les cofacteurs enzymatiques fer-soufre. La taille, la concentration et la stabilité des NP dans le milieu de croissance affectent l'activité bactéricide58,59.

Les taux d'inhibition des NP ZNO déterminés à l'aide de l'Eq. (2) sont illustrés à la Fig. 7. Les résultats ont montré un bon taux d'inhibition pour toutes les concentrations, qui étaient respectivement de 62,8, 71,2 et 80,8 pour E. coli et de 55,6, 64,4 et 82,4 pour S. aureus. Ces résultats sont dus au contact étroit des NP NiO (coque), qui a permis aux NP ZnO (noyau) d'entrer en contact étroit avec la membrane et d'induire la rupture des bactéries contractées. Le dépôt ou l'accumulation des NP ZnO à la surface des bactéries, qui conduit à des bactéries cytotoxiques et à une concentration relativement accrue de ZnO à l'intérieur de la cellule, conduit à la mort cellulaire. De plus, l'utilisation du matériau core-shell ZNO empêchera les bactéries de se nourrir dans le milieu de culture55,60. De plus, le NiO subit une transition à travers le comportement de la cellule, ce qui aide le ZnO (noyau) à pénétrer la barrière bactérienne et à disperser la particule sur une grande surface. En outre, les NP ZNO peuvent rendre plus difficile pour la cellule la fabrication et la décomposition des composants de l'hème, qui sont nécessaires au bon fonctionnement d'un certain nombre de protéines de l'hème et à la cellule pour obtenir des ions de fer. Ces possibilités sont démontrées et prouvées avec A. Kubacka et al. Étude61. Par conséquent, le fait de décortiquer l'oxyde métallique avec un autre oxyde métallique ou un autre matériau améliore son activité antibactérienne à un niveau plus élevé que de l'utiliser seul. En comparant ce résultat avec un autre résultat comme celui de KS Khashan et al., notre résultat présente une zone d'inhibition plus élevée pour les NPs53 préparés. De plus, par rapport à P. Gnanamozhi et al. étude, qui a utilisé des NP ZnO dopés au Ni sur des bactéries Gram-négatives et Gram-positives, l'inhibition maximale sur les bactéries Gram-négatives était de 15 mm, alors que dans notre étude, elle atteignait 20,2 mm21.

Efficacité d'inhibition des NP ZNO.

Comme le montre la figure 8, une double coloration orange d'acridine/bromure d'éthidium (AO/EtBr) a été utilisée pour déterminer quelles souches bactériennes étaient vivantes et lesquelles étaient mortes avant la fluorescence. La microscopie a été utilisée pour tester l'activité antibactérienne des nanoparticules produites sur S. aureus et souches bactériennes E. coli. Lorsqu'il se lie à l'acide nucléique de bactéries vivantes, l'acridine orange émet une fluorescence verte (Fig. 8a et c). D'autre part, le bromure d'éthidium se lie principalement à l'acide nucléique des bactéries mortes et émet une fluorescence rouge ou orange (Fig. 7b et d)62,63. La couleur des cellules vivantes sera donc verte, tandis que la couleur des cellules mortes sera rouge. Toutes les cellules bactériennes non traitées pour les deux types de souches bactériennes émettaient une fluorescence verte sur les figures 8a et c, démontrant leur viabilité. Le traitement avec les NP ZNO fait que presque toutes les cellules deviennent rouges, ce qui montre que plus de cellules sont mortes que dans les cellules non traitées. Par conséquent, les NP ZNO ont eu le plus d'effet sur les deux types de bactéries64. Les nanoparticules ont plus affecté S. aureus que E. coli en raison de variations dans la structure de la membrane cellulaire. Les nanomatériaux peuvent perturber l'ADN des bactéries de plusieurs façons, y compris par des dommages endogènes et exogènes. Des espèces réactives de l'oxygène (ROS) peuvent se former lorsque des sources endogènes attaquent. Le métabolisme cellulaire normal entraîne la production de ROS dans les cellules65. Ces radicaux libres sont incroyablement instables et peuvent réagir avec d'autres substances en une fraction de seconde. Les radicaux libres et l'ADN déclenchent une série d'événements qui conduisent aux lésions génotoxiques66. Les mécanismes de destruction des nanoparticules contre les bactéries sont illustrés à la Fig. 9.

L'image microscopique de fluorescence de S.aureus et E.coli où (a) et (c) sont respectivement la souche bactérienne témoin et (b), (d) sont les bactéries traitées avec les NP ZNO.

L'illustration des mécanismes de destruction des nanoparticules contre les bactéries.

L'effet des NP sur la viabilité cellulaire des globules blancs a été mesuré à l'aide d'un spectrophotomètre à microplaque ELISA. L'activité des nanomatériaux contre le système biologique et les cellules est un facteur important pour les besoins en biomatériaux, ce qui les rend adaptés aux applications médicales. Ainsi, la réponse des globules blancs aux NPs core-shell ZNO a été étudiée via un test MTT après 24 h d'exposition aux NPs où la couleur violette du MTT devient plus claire avec l'augmentation du pourcentage de nanomatériaux, ce qui signifie que le vivant les cellules ont diminué (voir Fig. S5). La figure 10 montre le taux de viabilité cellulaire pour les NP préparés à différentes concentrations (0, 25, 50 et 75 µg/mL), qui a été déterminé à l'aide de l'Eq. (3). La viabilité cellulaire minimale à la concentration de ZNO NPs (75 g/mL) est de 50,73 %, ce qui est toujours dans la plage acceptable. De plus, nous pouvons utiliser la concentration inférieure pour obtenir l'effet des ZNO NPs, qui présentent une bonne viabilité cellulaire et une toxicité cellulaire. De plus, la toxicité des NP ZNO pourrait être due à la forte concentration de ZnO, alors que certaines études indiquent que l'augmentation de la concentration de ZnO entraîne davantage de dommages cellulaires en raison de modifications du PH entourant la cellule55.

Taux de viabilité cellulaire des NP ZNO.

Les nouvelles techniques hybrides proposées forment avec succès le noyau-coque des NP ZNO. Sur la base du résultat, les NP ZNO préparés ont une petite taille, une distribution uniforme et aucune agrégation car le NiO (coquille) agit comme un stabilisateur efficace et empêche le ZnO ( noyau) de se toucher et de les enrober. La formation du noyau-coque des NP ZNO est confirmée par XRD, FESEM, TEM et EDX. Les résultats de l'AC ont montré que les NP ZNO préparés ont une biocompatibilité élevée en raison de leur excellente mouillabilité, une propriété cruciale du biomatériau. De plus, une mouillabilité plus élevée montre que les colloïdes couvrent une plus grande surface, ce qui est un signe d'une forte activité antibactérienne, et convient également à de nombreuses applications biologiques. De plus, l'image microscopique à fluorescence a confirmé la mort bactérienne lors de l'utilisation des NP ZNO. Les résultats montrent que les NP ZNO préparés ont une excellente activité antibactérienne contre les bactéries Gram-négatives et Gram-positives, même à de faibles concentrations. que de l'utiliser seul. Enfin, le PLAL est une méthode facilement évolutive, rentable et respectueuse de l'environnement pour la synthèse des NP, et les NP noyau-enveloppe préparées pourraient être utilisées dans d'autres applications biologiques telles que l'administration de médicaments, le traitement du cancer et une fonctionnalisation biomédicale supplémentaire.

Les palettes de nickel et de zinc sont achetées auprès de Sigma-Aldrich avec une pureté de 99,98 % (le résultat XRD illustré sur les figures S1, S2 pour les deux palettes) avec une épaisseur de 1 mm. Le nickel d'une dimension de 1 cm x 1 cm a été utilisé comme cible laser et le zinc d'une dimension de 1 cm x 4 cm a été utilisé comme cible de jet de plasma. L'eau distillée, qui a été distillée à l'aide du système de purification d'eau Millipore, a été utilisée dans cette étude.

Les cibles de nickel et de zinc sont purifiées pour éliminer la contamination de la surface à l'aide d'un ponçage (avec un papier spatial) et d'un nettoyeur à ultrasons professionnel au laboratoire plasma, département de physique, Université de Bagdad, Irak. L'ablation au laser a été réalisée à l'aide de Nd: YAG à commutation Q fonctionnant à une longueur d'onde de 1064 nm. 800 mJ d'énergie laser avec un taux de répétition de 7 Hz et une durée d'impulsion de 10 ns ont été utilisés pour l'ablation. Pour effectuer l'ablation au laser, le faisceau laser a été focalisé sur la cible à l'aide d'une lentille positive avec une distance focale de 9 cm et une taille de spot de 2,5 mm. Le jet de plasma contient du gaz argon (99% de pureté) et une alimentation électrique haute tension de fabrication locale comprise entre 10 et 20 kV. La spectrométrie d'absorption atomique (AAS-Perkin Elmer, Analyst 400, 2014) a été utilisée pour mesurer la concentration de NPs présents dans la solution colloïdale, qui mesure le nombre d'atomes dans la gamme des parties par milliard (ppm = µg/mL) à l'Université de Bagdad dans le département des sciences de la vie. La mesure AAS a été répétée trois fois pour chaque échantillon, et la moyenne a été prise. La diffraction des rayons X (XRD) a été utilisée pour examiner la structure cristalline de la NP noyau-enveloppe ZnO @ NiO (ZNO) produite à l'aide d'une cible kα-Cu (λ = 0, 15406 nm; le tube fonctionnait à 45 kV et le balayage a été acquise sur une plage 2θ de 20° à 70°). L'équation de Debye–Scherrer suivante a été utilisée pour calculer la taille des grains16,67 :

où D est la taille moyenne des cristaux, β est la demi-largeur maximale, k est la constante de Scherrer (0,9), λ est la constante des rayons X (0,15406 nm) et α est l'angle de Braggs53. Les caractéristiques optiques ont été mesurées à l'aide d'un modèle de spectrophotomètre UV-Vis (Metertech, spectrophotomètre SP8001, Japon) dans la gamme 100-1000 nm à l'Université de technologie du département d'ingénierie laser et optoélectronique. La microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM) a été utilisée pour évaluer la morphologie de surface, la taille des particules et la composition chimique des NP produites à l'aide d'un JSM-IT800 (origine) équipé d'une technologie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX) à DayPetroinc Co. Ltd. Téhéran, Iran. La microscopie électronique à transmission (MET, Zeiss, Allemagne) est utilisée à DayPetroinc Co. Ltd. à Téhéran, en Iran, pour étudier la taille et la forme des particules ainsi que la croissance du noyau-enveloppe.

Le noyau ZNO @ shell a été synthétisé à l'aide de techniques hybrides où la cible de nickel a été ablatée dans de l'eau distillée à l'aide de techniques PLAL pendant 10 min à température ambiante, puis le colloïde produit, qui contient des NP NiO, a été utilisé et la cible de titane y a été immergée. La cible de zinc a été ablatée en utilisant la technique du jet de plasma pendant 10 min et un rat de suivi de gaz de 3 L/min.

Deux isolats cliniques, Escherichia coli (gram-négatif) et Staphylococcus aureus (gram-positif), ont été utilisés pour évaluer l'activité antibactérienne des NP ZNO. Ces deux isolats bactériens ont été transférés dans un milieu de gélose Mueller-Hinton, incubés pendant une nuit à 37 ° C et conservés au réfrigérateur à 4 ° C jusqu'à leur utilisation. Des pointes de micropipette ont été utilisées pour créer des puits d'un diamètre d'environ 6 mm à la surface d'un milieu gélosé, qui ont ensuite été remplis de suspensions de NP de concentrations variables. Ces plaques ont été incubées pendant 24 h. L'efficacité antibactérienne des NP ZNO a été déterminée en mesurant la largeur des zones d'inhibition dans de nombreuses directions à l'aide d'une règle. Toutes les expériences ont été menées en double et l'eau purifiée a servi de témoin négatif68. Le pourcentage d'activité antimicrobienne (%) a été calculé à l'aide de la formule suivante18 :

Le standard utilisé dans ce travail est de 250 µg d'antibiotique Emoxilian avec une zone d'inhibition de 25 mm.

Pour déterminer si les souches bactériennes étaient vivantes ou mortes en fonction de l'intégrité de la membrane, l'imagerie microscopique fluorescente a été utilisée pour examiner l'activité antibactérienne des NP préparées sur les bactéries E. coli et S. aureus. Contrairement au bromure d'éthidium (EB), qui émet une fluorescence rouge lorsque les bactéries sont mortes, l'orange d'acridine (AO), qui émet une fluorescence verte, a été utilisée pour colorer les souches bactériennes vivantes. En un mot, les bactéries E. coli et S. aureus ont été placées à Eppendorf avant et après avoir été traitées avec des NP. Après cela, 10 g/ml d'AO/EB ont été ajoutés et le mélange a été laissé seul pendant 2 min. Les échantillons ont été immédiatement examinés au microscope à fluorescence avant que les bactéries ne libèrent leurs colorants.

Le test de viabilité cellulaire a été étudié en utilisant des globules blancs humains (le sang a été prélevé sur des volontaires sains âgés de 25 ans) dans des conditions hautement stériles. Les globules blancs avec une densité de 1*104 cellules/mL dans une plaque à puits ont été exposés à des NP puis incubés à 37 °C pendant 24 h. Ensuite, la plaque a été déversée et lavée trois fois avec du PBS pour éliminer toute trace de NP. Ensuite, 10 μL de solution de colorant MTT ont été ajoutés aux plaques à puits et incubés pendant 4 h à 37 ° C. Les cellules ont été lavées plusieurs fois avec du PBS jusqu'à ce que l'excès de colorant soit éliminé. Une fois les plaques complètement sèches, les résultats ont été lus à l'aide d'un spectrophotomètre microplaque ELISA à une longueur d'onde de 500 nm. Le pourcentage de cellules vivantes par rapport au nombre total de cellules a été utilisé pour calculer la viabilité cellulaire ; ce pourcentage a été calculé à l'aide de l'équation suivante18 :

Toutes les procédures ont été effectuées conformément à la directive numérotée (UOT-LOEE-17082020) approuvée par le comité des soins humains et de l'éthique de la division de la biotechnologie, département d'ingénierie laser et optoélectronique, Université de technologie, Bagdad, Irak.

Des échantillons de sang frais ont été prélevés sur des donneurs sains et distribués dans des tubes recouverts d'héparine selon la méthode de l'Institut national de la santé et de la Food and Drug Administration et conformément à la déclaration et à la réglementation d'Helsinki de 1975 en tant que déclaration de principes éthiques. L'autorisation a été obtenue des hôpitaux de la cité médicale de Bagdad, en Irak, et approuvée par le comité d'éthique institutionnel de l'Université de technologie de Bagdad, en Irak (réf. n° LOEE 13–17–08–2020). Les participants à l'étude ont été informés de la valeur de l'étude avant que nous ne commencions à collecter des données ou des échantillons. Le consentement éclairé et/ou l'assentiment ont été obtenus des participants à l'étude.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par le Plasma Physics Lab., Département de physique, Collège des sciences, Université de Bagdad, en fournissant l'équipement et les dispositifs nécessaires.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Hadeel J. Imran et Kadhim A. Aadim.

Département d'ingénierie laser et optoélectronique, Université de technologie d'Irak, Bagdad, Irak

Hadeel J. Imran & Kadhim A. Hubatir

Département de physique, Collège des sciences, Université de Bagdad, Bagdad, Irak

Kadhim A. Adim

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HJI et KAA,; méthodologie, ressources, enquête, HJI ; logiciel, analyse formelle, conservation des données, rédaction—préparation du projet original, KAH ; rédaction—révision et édition, KAH et KAA ; supervision, gestion de projet. Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance à Kadhim A. Hubetir.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Reçu : 12 janvier 2023

Accepté : 26 mars 2023

Publié: 03 avril 2023

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

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