Nanopartikel Zink Oksida: Sifat Antimikroba, Mekanisme, dan Aplikasi

Abstrak

Oksida seng (ZnO) merupakan dasar dalam biomedis, muncul dalam enzim, sunscreen, dan analgesik topikal. Band gap yang luas memberikan penyerapan UVA/UVB yang kuat, dan dampak biologisnya diatur oleh morfologi, ukuran, durasi paparan, konsentrasi, pH, dan kompatibilitas biologis. Nanopartikel ZnO menunjukkan aktivitas yang kuat terhadap spektrum luas bakteri dan jamur, termasuk Bacillus subtilis, Bacillus megaterium, Staphylococcus aureus, Sarcina lutea, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas vulgaris, Candida albicans, dan Aspergillus niger. Aktivasi cahaya memicu nanopartikel ZnO untuk menembus membran bakteri, di mana mereka mengganggu amplop sel dan menumpuk di sitoplasma, berinteraksi dengan biomolekul dan memulai apoptosis yang berakhir pada kematian sel, seperti yang dikonfirmasi oleh citra SEM dan TEM.

Latar Belakang

Teknologi nano, yang didefinisikan oleh partikel ≤100 nm, merupakan bagian integral dari ilmu materi, pertanian, makanan, kosmetik, kedokteran, dan diagnostik [1–10]. Senyawa anorganik skala nano menunjukkan aktivitas antibakteri yang kuat pada konsentrasi yang sangat kecil karena rasio luas permukaan terhadap volume yang tinggi dan properti fisikokimia unik [11]. Mereka juga menunjukkan stabilitas termal yang ditingkatkan [12] dan, dalam banyak kasus, kompatibel biologis, mengandung elemen mineral esensial [13]. Nanopartikel logam dan oksida logam—perak, emas, tembaga, TiO₂, dan ZnO—adalah antara agen antibakteri yang paling kuat [14–15]. Seng sangat penting untuk kesehatan manusia; ia mengaktifkan enzim seperti anhidrase karbonat, karbopeptidase, dan alkohol dehidrogenase. Berbeda dengan kadmium dan merkuri, seng tidak beracun dan esensial untuk fisiologi eukaryot [16–17]. Garam bambu, yang kaya seng, memiliki properti antiinflamasi melalui modulasi kaspase-1, dan nanopartikel ZnO menekan mRNA sitokin inflamasi dengan menghambat aktivasi NF-κB [18]. Infeksi bakteri merupakan ancaman kesehatan global yang diperkuat oleh resistensi antibiotik dan patogen baru. Warisan antibakteri ZnO berasal dari Mesir kuno, di mana ia digunakan untuk mengobati luka dan bisul sekitar 2000 SM [20]. Saat ini, ia tetap menjadi bahan pokok dalam sunscreen, suplemen, perangkat fotonik, kosmetik, dan katalisis [21–25]. Meskipun produksi tahunan, hanya sebagian kecil yang digunakan secara medis [26], namun FDA mengklasifikasikan ZnO sebagai aman (21 CFR 182.8991) [27]. Properti fotokatalitik dan foto-oksidasi membuatnya efektif terhadap biokimia [28]. Di Uni Eropa, ZnO diklasifikasikan sebagai ekskotoksik (N; R50-53). Sementara seng ada dalam tubuh manusia sebesar 2–3 g dengan kebutuhan harian 10–15 mg [29,31], tidak ada toksisitas karsinogenik, genotoksik, atau reproduktif yang dilaporkan pada manusia [32]. Namun, inas atau ingesti bubuk seng dapat menyebabkan "demam seng" (gigitan, demam, batuk) [27]. Morfologi nanopartikel ZnO bervariasi dengan sintesis: nanoroda, nanolapisan, nanobola, nanokotak, heksagon, tripod, tetrapod, nanokawat, nanotub, nanocincin, nanokerang, dan nanobunga [33–43]. Bakteri gram-positif umumnya lebih rentan daripada gram-negatif. Patogen makanan seperti Salmonella, Staphylococcus aureus, dan E. coli mengancam makanan siap saji; kemasan antimikroba yang menyisipkan nanopartikel ZnO dapat menghambat pertumbuhan mikroba tanpa mempengaruhi kualitas makanan [44–48]. Studi distribusi in vivo menunjukkan bahwa nanopartikel ZnO oral atau intraperitonealis menumpuk di hati, limpa, ginjal, dan tulang, dengan efek bergantung pada dosis pada berat badan dan aktivitas enzim [50–51]. Konsentrasi rendah (<50–500 mg kg⁻¹) menunjukkan toksisitas minimal, sementara dosis tinggi (5000 mg kg⁻¹) meningkatkan berat organ dan mengubah gen metabolisme seng [50]. Secara keseluruhan, nanopartikel ZnO tidak berbahaya pada dosis terapeutik, merangsang enzim bermanfaat sambil menekan jalur penyakit [52]. Ulasan ini mengumpulkan pengetahuan saat ini tentang nanopartikel ZnO sebagai agen antibakteri, me-detail mekanisme interaksinya dengan mikroba yang beragam.

Aktivitas Antimikroba Nanopartikel Oksida Seng

Nanopartikel ZnO menghambat pertumbuhan bakteri dengan menembus membran sel, menginduksi stres oksidatif yang merusak lipid, protein, DNA, dan karbohidrat [53]. Peroksidasi lipid mengganggu integritas membran, mengurangi fungsi sel penting [54], mekanisme yang dikonfirmasi dalam E. coli [55]. Suspensi ZnO massa menghasilkan H₂O₂, berkontribusi pada aktivitas antibakteri [56]. Rilis ion Zn²⁺, karena sifat amfoterek ZnO, juga memainkan peran; Zn²⁺ dengan mudah berikatan dengan protein dan karbohidrat, menghentikan proses bakteri penting. Studi toksisitas komparatif menggunakan Vibrio fischeri menunjukkan bahwa ZnSO₄·7H₂O beracun enam kali lipat lebih dari nanopartikel ZnO, mencerminkan kelerangan dan ketersediaan biologis yang lebih tinggi dari ion Zn²⁺ [57]. ZnO massa dan nanopartikel ZnO 40–80 kali lipat lebih sedikit beracun daripada ZnSO₄, menekankan pentingnya kelerangan dan rilis ion [58]. Kontak saja, tanpa internalisasi, dapat mencukupi untuk toksisitas; konsentrasi nanopartikel yang tinggi dapat mengelilingi sel bakteri, membatasi penyerapan nutrisi [59]. ZnO menunjukkan aktivitas antibakteri yang unggul dibandingkan CuO, Al₂O₃, La₂O₃, Fe₂O₃, SnO₂, dan TiO₂ terhadap E. coli [49]. Namun, ion seng dapat meningkatkan replikasi virus dalam konteks tertentu, seperti peningkatan 69,6 % virus necrosis pankreas infeksious pada 10 mg L⁻¹ Zn [46]. Citra SEM/TEM mengonfirmasi bahwa nanopartikel ZnO merusak membran bakteri, meningkatkan permeabilitas, dan menumpuk secara seluler, menekan proliferasi [62–63]. Studi terbaru menunjukkan bahwa 15 μg mL⁻¹ nanopartikel ZnO menghambat Staphylococcus aureus, E. coli, Salmonella typhimurium, dan Klebsiella pneumoniae, dengan K. pneumoniae yang memerlukan sekurang-kurangnya 5 μg mL⁻¹ [63,64]. Hambatan pertumbuhan meningkat dengan konsentrasi; 45 μg mL⁻¹ selama 4–5 jam secara kuat menekan proliferasi bakteri, dan paparan yang lebih lama memperkuat efeknya [63]. Nanopartikel ZnO pertama kali mengkompromi membran sel bakteri, lalu menembus, dan dapat menghasilkan H₂O₂ sebagai mekanisme antibakteri alternatif [65,66]. Pada pH fisiologis (2–5 di lambung), ZnO dapat merilis Zn²⁺, mengaktifkan enzim pencernaan (karbopeptidase, anhidrase karbonat, alkohol dehidrogenase) dan melindungi terhadap E. coli [65]. Toksisitas sel yang minimal dari nanopartikel ZnO pada dosis rendah (<5 μM) selaras dengan jendela terapeutik mereka [67–70].

Aktivitas Tergantung Kelerangan dan Konsentrasi Nanopartikel Oksida Seng

Nanopartikel berfungsi sebagai pengobat pengiriman obat; nanopartikel ZnO tetap aman untuk sel normal pada konsentrasi ≤100 μg mL⁻¹, menawarkan alternatif antibiotik. Dosis 500–1000 μg mL⁻¹ menghancurkan 90 % kolon bakteri dalam 6 jam. Bahkan strain yang resisten obat (S. aureus, Mycobacterium smegmatis, Mycobacterium bovis) secara signifikan ditekan ketika dikombinasikan dengan rifampisin dosis rendah (0,7 μg mL⁻¹). Pada 1000 μg mL⁻¹ selama 24 jam, patogen ini dieliminasi, yang menunjukkan bahwa pengulangan dosing dapat mencapai penyembuhan klinis. Ukuran nanoparticle antara 50 dan 500 nm menunjukkan potensi antibakteri yang sebanding [71–73]. Uji toksisitas sel menunjukkan bahwa toksisitas nanopartikel ZnO bergantung pada konsentrasi dan kelerangan; suspensi 125 mg L⁻¹ merilis 6,8 mg L⁻¹ Zn²⁺, namun efek antibakteri terutama berasal dari interaksi nanopartikel–mikroba daripada ion bebas [75]. Dalam lingkungan asam (pH 4,5), nanopartikel ZnO larut dengan cepat, merilis Zn²⁺ yang berikatan dengan biomolekul seluler dan mengganggu pertumbuhan [76,77]. Analisis transkriptom menunjukkan peningkatan gen metalotionein setelah paparan nanopartikel ZnO, yang mengindikasikan gangguan homeostasis seng [78]. Nanopartikel yang lebih kecil (≤19 nm) mencapai konsentrasi darah yang lebih tinggi dibandingkan yang lebih besar (>100 nm) [79]. Secara keseluruhan, keberhasilan antibakteri bergantung pada kimia medium, rilis ion, dan penetrasi sel.

Aktivitas Antibakteri Tergantung Ukuran Nanopartikel Oksida Seng

Azam et al. menunjukkan bahwa aktivitas antibakteri terhadap bakteri gram-negatif (E. coli, P. aeruginosa) dan gram-positif (S. aureus, B. subtilis) meningkat seiring berkurangnya ukuran partikel, karena rasio luas permukaan terhadap volume yang lebih tinggi. Zona hambatan terbesar (25 mm) diamati terhadap B. subtilis (Gambar 1) [82]. Banyak studi mengonfirmasi bahwa nanopartikel ZnO yang lebih kecil (≤10–14 nm) diinternalisasi oleh bakteri dan merusak membran (citra TEM) [63,84]. Sebaliknya, partikel >100 nm menunjukkan efek hambatan minimal [89]. Potensi antibakteri berkorelasi terbalik dengan ukuran dan sebanding dengan konsentrasi [88]. Aktivasi fotokatalitik di bawah cahaya matahari atau cahaya difusi dapat meningkatkan generasi ROS, meskipun produksi H₂O₂ mungkin bukan satu-satunya penggerak [88].

Bentuk, Komposisi, dan Toksisitas Sel Nanopartikel Oksida Seng

Toksisitas sel nanopartikel ZnO bervariasi dengan konsentrasi, tipe sel, dan morfologi [90–91]. Tetrapod ZnO, yang disintesis melalui transportasi api, menunjukkan toksisitas fibroblast mamalia yang lebih rendah dibandingkan partikel bola, mungkin karena penyesuaian rongga oksigen dan perubahan struktural yang diinduksi UV yang mencegah masuknya virus [92–94]. Studi inas in vivo menunjukkan peradangan paru-paru dan stres oksidatif yang diinduksi oleh nanopartikel ZnO, melebihi efek partikel karbon atau SiO₂ [95]. Toksisitas bergantung pada bentuk, dengan partikel bola menunjukkan gangguan membran yang lebih tinggi dibandingkan morfologi lainnya [95].

Nanopartikel yang Dilapisi Polimer

Melapisi nanopartikel ZnO dengan polimer hidrofilik—PVP, PVA, PGA, PEG, kitosan, dekstran—meningkatkan stabilitas dan mengurangi toksisitas sambil mempertahankan aktivitas antibakteri [97–99]. Komposit hidrogel N-isopropilakrilamida dan nanopartikel ZnO menunjukkan aktivitas yang kuat terhadap E. coli pada 1,33 mM, tanpa toksisitas sel mamalia selama satu minggu, menjadikannya cocok untuk lapisan medis [96].

Efek Ukuran dan Bentuk Partikel Nanopartikel yang Dilapisi Polimer terhadap Aktivitas Antibakteri

Nanopartikel ZnO yang dilapisi PEG (401 nm–1,2 µm) menunjukkan aktivitas antibakteri yang ditingkatkan dengan berkurangnya ukuran dan meningkatnya konsentrasi; dosis efektif melebihi 5 mM. Citra SEM menunjukkan perubahan morfologi yang signifikan pada E. coli setelah paparan [84]. Sementara nanoroda yang dilapisi PEG sitotoksik terhadap sel kanker osteoblast di atas 100 µM, mereka tidak berbahaya untuk sel sehat [87].

Aktivitas Antimikroba In Vivo dan In Vitro untuk Peluka Luka

Peluka hidrogel kitosan yang disisipi nanopartikel ZnO 70–120 nm secara efektif mengobati luka bakar, luka, dan luka diabetes, menghilangkan patogen seperti P. aeruginosa dan S. intermedicus dalam tiga minggu pada model tikus [100]. Produk degradasi—D-glukosamin dan glikosamin glikan—secara alami ada dalam tubuh, memastikan kompatibilitas biologis.

Efek Doping terhadap Toksisitas Nanopartikel Oksida Seng

Doping besi mengurangi toksisitas nanopartikel ZnO, menyelaraskan konsentrasi Zn²⁺ yang diperlukan untuk 50 % keberhijauan mikroba dengan Zn²⁺ bebas [101,102]. Lapisan dengan merkaptopropil trimetoksi silan atau SiO₂ juga mengurangi sitotoksisitas [103]. Dalam sel BEAS-2B, penyerapan nanopartikel ZnO mendorong akumulasi seng dan ikatan biomolekul; pelarutan menjadi Zn²⁺ adalah jalur toksisitas kunci [104].

Mekanisme Interaksi Nanopartikel Oksida Seng

Nanopartikel ZnO melindungi efek antibakteri melalui beberapa jalur: gangguan membran, kerusakan DNA, generasi ROS, dan rilis ion. Gambar 2 mengilustrasikan mekanisme inti: aktivasi fotonik, pembelahan air, pembentukan ROS, dan akumulasi seluler.

ZnO kurang beracun daripada nanopartikel perak pada konsentrasi (20–100 mg L⁻¹) dengan ukuran rata-rata 480 nm [55,62,63]. Oksida logam mengganggu membran dan DNA bakteri; generasi ROS melalui fotokatalisis lebih meningkatkan kematian sel [112]. Spektra UV-Vis suspensi ZnO puncak antara 370 dan 385 nm, yang menunjukkan penyerapan cahaya yang kuat [113]. Spesies ROS—radikal hidroksil, superoksida, peroksida hidrogen—bereaksi dengan protein, lipid, dan DNA, memicu apoptosis [114].

Nanopartikel ZnO menghasilkan ROS ketika terpapar cahaya UV-Vis, menghasilkan H₂O₂ yang menembus sel bakteri, sementara radikal yang bermuatan negatif tetap di permukaan, mengkompromi integritas membran [116,117]. Citra TEM mengonfirmasi interaksi nanopartikel dengan membran Salmonella typhimurium (Gambar 4) [115].

Dalam inkubasi 18 jam dengan nanopartikel ZnO MIC, sel E. coli menunjukkan pecahan dinding dan kebocoran sitoplasma, dengan nanopartikel yang menempel dan menembus membran luar (Gambar 5) [120].

Rantase interaksi melibatkan penyerapan sinar matahari oleh ZnO, pembelahan air untuk menghasilkan superoksida dan radikal hidroksil, dan kemudian kerusakan membran yang diinduksi ROS. Sementara mekanisme produksi oksigen yang tepat memerlukan validasi lebih lanjut, bukti mendukung efek antibakteri yang bergantung pada dosis, dengan 5 μg mL⁻¹ sebagai konsentrasi inhibitor minimal yang efektif.

Kesimpulan

Seng adalah elemen jejak kritis dalam fisiologi manusia, mengkonstituir tulang, gigi, enzim, dan protein. Meskipun esensial dalam jumlah kecil, seng berlebihan atau bentuk nanopartikelnya dapat beracun bagi jamur, virus, dan bakteri. Defisiensi genetik dalam protein pengikat seng mengarah pada kondisi seperti acrodermatitis enteropathica. Meskipun ada laporan yang bertentangan mengenai keamanan nanopartikel, nanopartikel ZnO yang dirancang dengan baik, terutama ketika dilapisi polimer, dapat berfungsi sebagai agen antimikroba, peluka luka, dan pengiriman obat dengan toksisitas ospite minimal. Aksi antibakteri yang diinduksi ROS dapat melengkapi atau menggantikan antibiotik, namun paparan dosis tinggi kronis dapat menimbulkan risiko kesehatan, menekankan kebutuhan akan regulasi dosis yang hati-hati.