Sifat Nanopartikel Seng Oksida dan Aktivitasnya Terhadap Mikroba

Aktivitas Antimikroba Nanopartikel Seng Oksida

Secara universal diketahui bahwa nanopartikel seng oksida bersifat antibakteri dan menghambat pertumbuhan mikroorganisme dengan cara meresap ke dalam membran sel. Stres oksidatif merusak lipid, karbohidrat, protein, dan DNA [53]. Peroksidasi lipid jelas merupakan yang paling penting yang menyebabkan perubahan pada membran sel yang akhirnya mengganggu fungsi seluler vital [54]. Telah didukung oleh mekanisme stres oksidatif yang melibatkan nanopartikel seng oksida dalam Escherichia coli [55]. Namun, untuk suspensi seng oksida curah, generasi eksternal H₂ O₂ telah disarankan untuk menggambarkan sifat anti-bakteri [56]. Juga, toksisitas nanopartikel, melepaskan ion beracun, telah dipertimbangkan. Karena seng oksida bersifat amfoter, ia bereaksi dengan asam dan basa menghasilkan Zn ²⁺ ion.

Zn gratis ²⁺ ion segera berikatan dengan biomolekul seperti protein dan karbohidrat, dan semua fungsi vital bakteri berhenti berlanjut. Toksisitas seng oksida, nanopartikel seng, dan ZnSO₄ ·7H₂ O telah diuji (Tabel 1) terhadap Vibrio fischeri . Ditemukan bahwa ZnSO₄ ·7H₂ O enam kali lebih beracun daripada nanopartikel seng oksida dan seng oksida. Nanopartikel sebenarnya terdispersi dalam pelarut, tidak terlarut, dan oleh karena itu, mereka tidak dapat melepaskan Zn ²⁺ ion. Ketersediaan hayati Zn ²⁺ ion tidak selalu 100% dan selalu dapat berubah dengan pH fisiologis, potensial redoks, dan anion yang terkait dengannya seperti Cl ⁻ atau SO₄ ²⁻ .

Kelarutan seng oksida (1,6–5,0 mg/L) dalam media berair lebih tinggi daripada nanopartikel seng oksida (0,3–3,6 mg/L) dalam media yang sama [57] yang beracun bagi alga dan krustasea. Baik nano-zinc oxide maupun bulk zinc oxide 40–80 kali lipat lebih toksik daripada ZnSO₄ melawan V. fischeri . Aktivitas antibakteri ZnSO yang lebih tinggi₄ berbanding lurus dengan kelarutannya melepaskan Zn ²⁺ ion, yang memiliki mobilitas lebih tinggi dan afinitas lebih besar [58] terhadap biomolekul dalam sel bakteri karena muatan positif pada Zn ²⁺ dan muatan negatif pada biomolekul.

Karena seng oksida dan nanopartikelnya memiliki kelarutan yang terbatas, mereka kurang beracun bagi mikroba dibandingkan ZnSO yang sangat larut₄ ·7H₂ O. Namun, nanopartikel oksida logam tidak masuk ke dalam sel bakteri untuk menyebabkan toksisitas [59]. Kontak antara nanopartikel dan dinding sel cukup untuk menyebabkan toksisitas. Jika benar, maka diperlukan nanopartikel logam dalam jumlah besar agar sel bakteri benar-benar terbungkus dan terlindung dari lingkungannya sehingga tidak ada kesempatan bagi nutrisi untuk diserap untuk melanjutkan proses kehidupan. Karena nanopartikel dan ion logam lebih kecil daripada sel bakteri, kemungkinan besar partikel tersebut mengganggu membran sel dan menghambat pertumbuhannya.

Sejumlah oksida logam berukuran nano seperti ZnO, CuO, Al₂ O₃ , La₂ O₃ , Fe₂ O₃ , SnO₂ , dan TiO₂ telah terbukti menunjukkan toksisitas tertinggi terhadap E. koli [49]. Nanopartikel seng oksida digunakan secara eksternal untuk pengobatan infeksi bakteri ringan, tetapi ion seng merupakan elemen penting untuk beberapa virus dan manusia yang meningkatkan aktivitas enzim integrase virus [45, 60, 61]. Hal ini juga didukung oleh peningkatan infeksi virus nekrosis pankreas sebesar 69,6% ketika diobati dengan 10 mg/L Zn [46]. Ini mungkin karena kelarutan ion Zn yang lebih besar dibandingkan dengan ZnO saja. Gambar SEM dan TEM telah menunjukkan bahwa nanopartikel seng oksida merusak dinding sel bakteri [55, 62] dan meningkatkan permeabilitas diikuti oleh akumulasinya di E. koli mencegah perkalian mereka [63].

Baru-baru ini, aktivitas antibakteri nanopartikel seng oksida telah diselidiki terhadap empat bakteri gram positif dan gram negatif yang diketahui, yaitu Staphylococcus aureus , E. koli , Salmonella typhimurium , dan Klebsiella pneumoniae . Diamati bahwa dosis penghambat pertumbuhan nanopartikel seng oksida adalah 15 g/ml, meskipun dalam kasus K. pneumonia , itu serendah 5 μg/ml [63, 64]. Telah diperhatikan bahwa dengan meningkatnya konsentrasi nanopartikel, penghambatan pertumbuhan mikroba meningkat. Ketika mereka diinkubasi selama 4-5 jam dengan konsentrasi maksimum nanopartikel seng oksida 45 μg/ml, pertumbuhannya sangat terhambat. Diharapkan jika waktu inkubasi ditingkatkan, penghambatan pertumbuhan juga akan meningkat tanpa banyak perubahan dalam mekanisme aksi [63].

Telah dilaporkan bahwa nanopartikel oksida logam pertama merusak membran sel bakteri dan kemudian meresap ke dalamnya [64]. Juga telah diusulkan bahwa rilis H₂ O₂ mungkin menjadi alternatif untuk aktivitas anti-bakteri [65]. Proposal ini, bagaimanapun, memerlukan bukti eksperimental karena kehadiran nanopartikel seng oksida saja tidak cukup untuk menghasilkan H₂ O₂ . Nanopartikel seng atau nanopartikel seng oksida dengan konsentrasi yang sangat rendah tidak dapat menyebabkan toksisitas pada sistem manusia. Asupan harian seng melalui makanan diperlukan untuk menjalankan fungsi metabolisme secara teratur. Seng oksida diketahui melindungi lambung dan saluran usus dari kerusakan oleh E. koli [65]. PH di lambung bervariasi antara 2 sampai 5, dan karenanya, seng oksida di lambung dapat bereaksi dengan asam untuk menghasilkan Zn ²⁺ ion. Mereka dapat membantu dalam mengaktifkan enzim karboksi peptidase, karbonat anhidrase, dan alkohol dehidrogenase yang membantu dalam pencernaan karbohidrat dan alkohol. Premanathan dkk. [66] telah melaporkan toksisitas nanopartikel seng oksida terhadap sel prokariotik dan eukariotik. MIC nanopartikel seng oksida terhadap E. koli , Pseudomonas aeruginosa , dan S. aureus ditemukan masing-masing 500 dan 125 g/ml. Dua mekanisme aksi telah diusulkan untuk toksisitas nanopartikel seng oksida, yaitu (1) generasi ROS dan (2) induksi apoptosis. Nanopartikel oksida logam menginduksi produksi ROS dan menempatkan sel di bawah stres oksidatif yang menyebabkan kerusakan komponen seluler, yaitu lipid, protein, dan DNA [67,68,69]. Nanopartikel seng oksida, oleh karena itu, menginduksi toksisitas melalui apoptosis. Mereka relatif lebih beracun bagi sel kanker daripada sel normal, meskipun mereka tidak dapat membedakannya.

Baru-baru ini, Pati dkk. [70] telah menunjukkan bahwa nanopartikel seng oksida mengganggu integritas membran sel bakteri, mengurangi hidrofobisitas permukaan sel, dan menurunkan regulasi transkripsi gen ketahanan stres oksidatif pada bakteri. Mereka meningkatkan pembunuhan bakteri intraseluler dengan menginduksi produksi ROS. Nanopartikel ini mengganggu pembentukan biofilm dan menghambat hemolisis oleh toksin hemolisin yang dihasilkan oleh patogen. Pemberian intradermal nanopartikel seng oksida ditemukan secara signifikan mengurangi infeksi dan peradangan kulit pada tikus dan juga memperbaiki arsitektur kulit yang terinfeksi.

Aktivitas Kelarutan dan Konsentrasi-Tergantung Nanopartikel Seng Oksida

Nanopartikel juga telah digunakan sebagai pembawa untuk memberikan agen terapeutik untuk mengobati infeksi bakteri [1, 9]. Karena nanopartikel seng oksida hingga konsentrasi 100 μg/ml tidak berbahaya bagi sel tubuh normal, mereka dapat digunakan sebagai alternatif antibiotik. Ditemukan bahwa 90% koloni bakteri mati setelah terpapar dengan dosis 500–1000 g/ml nanopartikel seng oksida hanya selama 6 jam. Bahkan S. aureus , Mycobacterium smegmatis , dan Mycobacterium bovis ketika diobati dengan nanopartikel seng oksida dalam kombinasi dengan obat anti-tuberkulosis dosis rendah, rifampisin (0,7 g/ml), penurunan pertumbuhan yang signifikan diamati. Patogen ini benar-benar hancur saat diinkubasi selama 24 jam dengan 1000 g/ml nanopartikel seng oksida. Oleh karena itu, disimpulkan bahwa jika dosis yang sama diulang, pasien dengan penyakit menular tersebut dapat sembuh total. Juga dicatat bahwa ukuran nanopartikel seng oksida yang berkisar antara 50 dan 500 nm memiliki efek yang sama pada penghambatan pertumbuhan bakteri.

Sitotoksisitas seng oksida telah dipelajari oleh banyak peneliti di berbagai mikroba dan sistem tanaman [71,72,73,74]. Toksisitas nanopartikel seng oksida bergantung pada konsentrasi dan kelarutan. Telah ditunjukkan bahwa konsentrasi paparan maksimum suspensi seng oksida (125 mg/l) melepaskan 6,8 mg/l Zn ²⁺ ion. Toksisitas adalah efek gabungan dari nanopartikel seng oksida dan Zn ²⁺ ion yang dilepaskan dalam media berair. Namun, efek minimal ion logam terdeteksi yang menunjukkan bahwa penghambatan pertumbuhan bakteri terutama karena interaksi nanopartikel seng oksida dengan mikroorganisme. Efek sitotoksik dari nanopartikel oksida logam tertentu adalah sensitif terhadap spesies yang dicerminkan oleh zona hambat pertumbuhan untuk beberapa bakteri [75].

Telah dikemukakan bahwa penghambatan pertumbuhan sel bakteri terjadi terutama oleh Zn ²⁺ ion yang dihasilkan oleh pelarutan ekstraseluler nanopartikel seng oksida [76]. Cho dkk. [77] telah menyimpulkan dari penelitian mereka pada tikus bahwa nanopartikel seng oksida tetap utuh di sekitar pH netral atau biologis tetapi dengan cepat larut dalam kondisi asam (pH 4,5) dalam lisosom mikroba yang menyebabkan kematian mereka. Hal ini benar karena dalam suasana asam, seng oksida larut dan Zn ²⁺ ion diproduksi, yang mengikat biomolekul di dalam sel bakteri sehingga menghambat pertumbuhannya.

Nanopartikel seng oksida telah terbukti sitotoksik terhadap berbagai sel imun primer yang kompeten. Analisis transkriptomik menunjukkan bahwa nanopartikel memiliki tanda gen yang sama dengan upregulation gen metallothionein dianggap berasal dari pembubaran nanopartikel [78]. Namun, tidak dapat dipastikan apakah seng yang diserap adalah Zn ²⁺ atau seng oksida atau keduanya, meskipun nanopartikel seng oksida berukuran lebih kecil memiliki konsentrasi yang lebih besar dalam darah daripada yang lebih besar (19 dan> 100 nm). Efisiensi nanopartikel seng oksida terutama bergantung pada media reaksi untuk membentuk Zn ²⁺ dan penetrasi mereka ke dalam sel.

Chiang dkk. [79] telah melaporkan bahwa disosiasi nanopartikel seng oksida menghasilkan penghancuran homeostasis Zn seluler. Sifat karakteristik nanopartikel dan dampaknya pada fungsi biologis sama sekali berbeda dari bahan massal [80]. Agregasi nanopartikel mempengaruhi sitotoksisitas makrofag, dan konsentrasinya membantu dalam modulasi agregasi nanopartikel. Konsentrasi rendah nanopartikel seng oksida tidak efektif, tetapi pada konsentrasi yang lebih tinggi (100 g/ml), mereka menunjukkan sitotoksisitas yang bervariasi dari satu patogen ke patogen lainnya.

Penggunaan nanopartikel seng oksida yang tidak disengaja terkadang dapat berdampak buruk pada sistem kehidupan. Apoptosis dan potensi genotoksiknya dalam sel hati manusia dan toksisitas seluler telah dipelajari. Ditemukan bahwa penurunan viabilitas sel hati terjadi ketika mereka terkena 14–20 g/ml nanopartikel seng oksida selama 12 jam. Ini juga menyebabkan kerusakan DNA oleh stres oksidatif. Sawi dkk. [56] telah menunjukkan bahwa generasi ROS berbanding lurus dengan konsentrasi bubuk seng oksida. ROS memicu penurunan potensial membran mitokondria yang menyebabkan apoptosis [81]. Penyerapan nanopartikel tidak wajib untuk terjadinya sitotoksisitas.

Aktivitas Antibakteri Bergantung Ukuran dari Nanopartikel Seng Oksida

Dalam sebuah penelitian, Azam et al. [82] telah melaporkan bahwa aktivitas antimikroba terhadap kedua gram negatif (E. coli dan P. aeruginosa ) dan gram positif (S. dan Bacillus subtilis ) bakteri meningkat dengan peningkatan rasio permukaan-ke-volume karena penurunan ukuran partikel nanopartikel seng oksida. Selain itu, dalam penelitian ini, nanopartikel seng oksida telah menunjukkan penghambatan pertumbuhan bakteri maksimum (25 mm) terhadap B. subtilis (Gbr. 1).

Aktivitas antibakteri dan/atau zona hambat yang dihasilkan oleh nanopartikel seng oksida terhadap strain bakteri gram positif dan gram negatif yaitu a Escherichia coli , b Staphylococcus aureus , c Pseudomonas aeruginosa , dan d Bacillus subtilis [82]

Telah dilaporkan bahwa ukuran nanopartikel seng oksida yang lebih kecil menunjukkan aktivitas antibakteri yang lebih besar daripada partikel skala mikro [83]. Misalnya, Au ⁵⁵ nanopartikel ukuran 1,4-nm telah ditunjukkan untuk berinteraksi dengan alur utama DNA yang menyumbang toksisitasnya [84]. Meskipun hasil yang bertentangan telah dilaporkan, banyak pekerja menunjukkan efek positif dari nanopartikel seng oksida pada sel bakteri. Namun, Brayner et al. [63] dari gambar TEM telah menunjukkan bahwa nanopartikel seng oksida 10-14 nm diinternalisasi (ketika terkena mikroba) dan merusak membran sel bakteri. Penting juga bahwa nanopartikel seng/seng oksida tidak boleh beracun bagi manusia karena mereka beracun bagi sel T di atas 5 mM [85] dan untuk sel neuroblastoma di atas 1,2 mM [86]. Nair dkk. [87] telah secara eksklusif mengeksplorasi efek ukuran nanopartikel seng oksida pada toksisitas sel bakteri dan manusia. Mereka telah mempelajari pengaruh nanopartikel seng oksida pada bakteri gram positif dan gram negatif dan garis sel kanker osteoblas (MG-63).

Diketahui bahwa aktivitas antibakteri nanopartikel seng oksida berbanding terbalik dengan ukurannya dan berbanding lurus dengan konsentrasinya [88]. Juga telah diperhatikan bahwa itu tidak memerlukan sinar UV untuk aktivasi; berfungsi di bawah sinar matahari normal atau bahkan tersebar. Aktivitas sitotoksik mungkin melibatkan produksi ROS dan akumulasi nanopartikel di sitoplasma atau di membran sel luar. Namun, produksi H₂ O₂ dan keterlibatannya dalam aktivasi nanopartikel tidak dapat diabaikan. Raghupati dkk. [88] telah mensintesis nanopartikel seng oksida dari garam seng yang berbeda dan mengamati bahwa nanopartikel yang diperoleh dari Zn(NO₃ )₂ terkecil dalam ukuran (12 nm) dan terbesar dalam luas permukaan (90,4). Penulis telah menunjukkan bahwa penghambatan pertumbuhan S. aureus pada konsentrasi 6 mM nanopartikel seng oksida bergantung pada ukuran. Hal ini juga telah ditunjukkan dari penentuan sel yang layak selama paparan sel bakteri ke nanopartikel seng oksida bahwa jumlah sel pulih menurun secara signifikan dengan penurunan ukuran nanopartikel seng oksida. Jones dkk. [89] telah menunjukkan bahwa nanopartikel seng oksida berdiameter 8-nm menghambat pertumbuhan S. aureus , E. koli , dan B. subtilis. Nanopartikel seng oksida berkisar antara 12 dan 307 nm dipilih dan mengkonfirmasi hubungan antara aktivitas antibakteri dan ukurannya. Toksisitas mereka terhadap mikroba telah dianggap berasal dari pembentukan Zn ²⁺ ion dari seng oksida ketika tersuspensi dalam air dan juga sampai batas tertentu pada sedikit perubahan pH. Sejak Zn ²⁺ ion jarang dilepaskan dari nanopartikel seng oksida, aktivitas antibakteri terutama karena nanopartikel seng oksida yang lebih kecil. Ketika ukurannya 12 nm, itu menghambat pertumbuhan S. aureus , tetapi jika ukurannya melebihi 100 nm, efek penghambatannya minimal [89].

Bentuk, Komposisi, dan Sitotoksisitas Nanopartikel Seng Oksida

Nanopartikel seng oksida telah menunjukkan sitotoksisitas dalam cara yang bergantung pada konsentrasi dan jenis sel yang terpapar karena sensitivitas yang berbeda [90, 91]. Sahu dkk. [90] telah menyoroti perbedaan sitotoksisitas antara ukuran partikel dan sensitivitas sel yang berbeda terhadap partikel dengan komposisi yang sama. Dalam studi terbaru lainnya, Ng et al. [91] meneliti sitotoksisitas tergantung konsentrasi dalam sel MRC5 paru-paru manusia. Penulis telah melaporkan penyerapan dan internalisasi nanopartikel seng oksida ke dalam sel MRC5 paru-paru manusia dengan menggunakan penyelidikan TEM. Partikel-partikel ini terlihat dalam sitoplasma sel dalam bentuk cluster padat elektron, yang selanjutnya diamati tertutup oleh vesikel, sedangkan nanopartikel seng oksida tidak ditemukan dalam sel kontrol yang tidak diobati. Papavlassopoulos dkk. [92] telah mensintesis seng oksida nanopartikel tetrapoda dengan sepenuhnya rute baru yang dikenal sebagai "pendekatan sintesis transportasi api". Tetrapoda memiliki morfologi yang berbeda dibandingkan dengan nanopartikel seng oksida yang disintesis secara konvensional. Interaksi mereka dengan sel fibroblas mamalia in vitro telah menunjukkan bahwa toksisitas mereka secara signifikan lebih rendah daripada nanopartikel seng oksida bulat. Tetrapoda menunjukkan struktur kristal wurtzite heksagonal dengan Zn ²⁺ bergantian dan O ²⁻ ion dengan geometri tiga dimensi. Mereka memblokir masuknya virus ke dalam sel hidup yang selanjutnya ditingkatkan dengan secara tepat menyinari mereka dengan radiasi UV. Karena tetrapoda seng oksida memiliki kekosongan oksigen dalam strukturnya, Herpes simpleks virus dilekatkan melalui heparan sulfat dan ditolak masuk ke dalam sel tubuh. Dengan demikian, mereka mencegah infeksi HSV-1 dan HSV-2 secara in vitro. Oleh karena itu, tetrapoda seng oksida dapat digunakan sebagai agen profilaksis terhadap infeksi virus ini. Sitotoksisitas nanopartikel seng oksida juga tergantung pada tingkat proliferasi sel mamalia [66, 93]. Reaktivitas permukaan dan toksisitas juga dapat bervariasi dengan mengontrol kekosongan oksigen dalam tetrapoda seng oksida. Ketika mereka terkena sinar UV, kekosongan oksigen di tetrapoda mudah meningkat. Atau, kekosongan oksigen dapat dikurangi dengan memanaskannya di lingkungan yang kaya oksigen. Dengan demikian, sifat unik dari tetrapoda seng oksida yang dapat diubah sesuai keinginan yang akibatnya mengubah efisiensi antimikroba mereka.

Penelitian pada hewan menunjukkan peningkatan inflamasi paru, stres oksidatif, dll. pada paparan pernapasan terhadap nanopartikel [94]. Yang dkk. [95] telah menyelidiki sitotoksisitas, genotoksisitas, dan stres oksidatif nanopartikel seng oksida pada sel fibroblas embrio tikus primer. Diamati bahwa nanopartikel seng oksida menginduksi sitotoksisitas yang jauh lebih besar daripada yang diinduksi oleh karbon dan SiO₂ nanopartikel. Lebih lanjut dikonfirmasi dengan mengukur penipisan glutathione, produksi malondialdehid, penghambatan superoksida dismutase, dan pembentukan ROS. Potensi efek sitotoksik dari nanopartikel yang berbeda telah dikaitkan dengan bentuknya.

Nanopartikel Berlapis Polimer

Banyak infeksi bakteri ditularkan melalui kontak dengan kenop pintu, papan kunci, keran air, bak mandi, dan telepon; oleh karena itu, penting untuk mengembangkan dan melapisi permukaan tersebut dengan zat antibakteri canggih yang murah sehingga pertumbuhannya terhambat. Penting untuk menggunakan konsentrasi zat antibakteri sedemikian rupa sehingga mereka dapat membunuh patogen tetapi menyelamatkan manusia. Ini mungkin terjadi hanya jika mereka dilapisi dengan polimer hidrofilik biokompatibel dengan biaya rendah. Schwartz dkk. [96] telah melaporkan persiapan hidrogel bahan komposit antimikroba baru dengan mencampur poli biokompatibel (N -isopropilakrilamida) dengan nanopartikel seng oksida. Gambar SEM dari film komposit menunjukkan distribusi nanopartikel seng oksida yang seragam. Ini menunjukkan aktivitas antibakteri terhadap E. koli pada konsentrasi seng oksida yang sangat rendah (1,33 mM). Selain itu, lapisan tersebut ternyata tidak beracun terhadap garis sel mamalia (N1H/3T3) selama periode 1 minggu. Seng oksida/hidrogel nanokomposit dapat digunakan dengan aman sebagai pelapis biomedis untuk mencegah orang tertular infeksi bakteri.

Meskipun nanopartikel seng oksida stabil, mereka telah distabilkan lebih lanjut dengan melapisinya dengan polimer yang berbeda seperti polivinil pirolidon (PVP), polivinil alkohol ( PVA), poli (α, , asam l-glutamat) (PGA), polietilen glikol (PEG), kitosan, dan dekstran [97, 98]. Aktivitas antibakteri nanopartikel seng oksida rekayasa diuji terhadap patogen gram negatif dan gram positif, yaitu E. koli dan S. aureus dan dibandingkan dengan bubuk seng oksida komersial. Nanopartikel seng oksida sferis berlapis polimer menunjukkan kerusakan sel bakteri maksimum dibandingkan dengan bubuk seng oksida curah [99]. Karena nanopartikel yang dilapisi dengan polimer kurang beracun karena kelarutannya yang rendah dan pelepasan yang berkelanjutan, sitotoksisitasnya dapat dikontrol dengan melapisinya dengan polimer yang sesuai.

Effect of Particle Size and Shape of Polymer-Coated Nanoparticles on Antibacterial Activity

E. koli and S. aureus exposed to different concentrations of poly ethylene glycol (PEG)-coated zinc oxide nanoparticles (1–7 mM) of varying size (401 nm–1.2 μm) showed that the antimicrobial activity increases with decreasing size and increasing concentration of nanoparticles. However, the effective concentration in all these cases was above 5 mM. There occurs a drastic change in cell morphology of E. koli surface which can be seen from the SEM images of bacteria before and after their exposure to zinc oxide nanoparticles [84]. It has been nicely demonstrated by Nair et al. [87] that PEG-capped zinc oxide particles and zinc oxide nanorods are toxic to human osteoblast cancer cells (MG-63) at concentration above 100 μM. The PEG starch-coated nanorods/nanoparticles do not damage the healthy cells.

In Vivo and In Vitro Antimicrobial Activity for Wound Dressing

Of all natural and synthetic wound dressing materials, the chitosan hydrogel microporous bandages laced with zinc oxide nanoparticles developed by Kumar et al. [100] are highly effective in treating burns, wounds, and diabetic foot ulcers. The nanoparticles of approximately 70–120 nm are dispersed on the surface of the bandage. The degradation products of chitosan were identified as d-glucosamine and glycosamine glycan. They are nontoxic to the cells because they are already present in our body for the healing of injury. The wound generally contains P. aeruginosa , S. intermedicus , and S. hyicus which were also identified from the swab of mice wound and successfully treated with chitosan zinc oxide bandage in about 3 weeks [100].

Effect of Doping on Toxicity of Zinc Oxide Nanoparticles

Doping of zinc oxide nanoparticles with iron reduces the toxicity. The concentration of Zn ²⁺ and zinc oxide nanoparticles is also an important factor for toxicity. The concentration that reduced 50% viability in microbial cells exposed to nano- and microsize zinc oxide is very close to the concentration of Zn ²⁺ that induced 50% reduction in viability in Zn ²⁺ -treated cells [101, 102].

Coating of zinc oxide nanoparticles with mercaptopropyl trimethoxysilane or SiO₂ reduces their cytotoxicity [103]. On the contrary, Gilbert et al. [104] showed that in BEAS-2B cells, uptake of zinc oxide nanoparticles is the main mechanism of zinc accumulation. Also, they have suggested that zinc oxide nanoparticles dissolve completely generating Zn ²⁺ ions which are bonded to biomolecules of the target cells. However, the toxicity of zinc oxide nanoparticles depends on the uptake and their subsequent interaction with target cells.

Interaction Mechanism of Zinc Oxide Nanoparticles

Nanoparticles may be toxic to some microorganisms, but they may be essential nutrients to some of them [55, 105]. Nanotoxicity is essentially related to the microbial cell membrane damage leading to the entry of nanoparticles into the cytoplasm and their accumulation [55]. The impact of nanoparticles on the growth of bacteria and viruses largely depends on particle size, shape, concentration, agglomeration, colloidal formulation, and pH of the media [106,107,108]. The mechanism of antimicrobial activity of zinc oxide nanoparticles has been depicted in Fig. 2.

Mechanisms of zinc oxide nanoparticle antimicrobial activity

Zinc oxide nanoparticles are generally less toxic than silver nanoparticles in a broad range of concentrations (20 to 100 mg/l) with average particle size of 480 nm [55, 62, 63]. Metal oxide nanoparticles damage the cell membrane and DNA [63, 109,110,111] of microbes via diffusion. However, the production of ROS through photocatalysis causing bacterial cell death cannot be ignored [112]. UV-Vis spectrum of zinc oxide nanoparticle suspension in aqueous medium exhibits peaks between 370 and 385 nm [113]. It has been shown that it produces ROS (hydroxyl radicals, superoxides, and hydrogen peroxide) in the presence of moisture which ostensibly react with bacterial cell material such as protein, lipids, and DNA, eventually causing apoptosis. Xie et al. [114] have examined the influence of zinc oxide nanoparticles on Campylobacter jejuni cell morphology using SEM images (Fig. 3). After a 12-h treatment (0.5 mg/ml), C. jejuni was found to be extremely sensitive and cells transformed from spiral shape to coccoid forms. SEM studies showed the ascendency of coccoid forms in the treated cells and display the formation of irregular cell surfaces and cell wall blebs (Fig. 3a). Moreover, these coccoid cells remained intact and possessed sheathed polar flagella. However, SEM image of the untreated cells clearly showed spiral shapes (Fig. 3b). In general, it has been demonstrated from SEM and TEM images of bacterial cells treated with zinc oxide nanoparticles that they get ruptured and, in many cases, the nanoparticles damage the cell wall forcing their entry into it [114, 115].

SEM images of Campylobacter jejuni . a Untreated cells from the same growth conditions were used as a control. b C. jejuni cells in the mid-log phase of growth were treated with 0.5 mg/ml of zinc oxide nanoparticles for 12 h under microaerobic conditions [114]

Zinc oxide nanoparticles have high impact on the cell surface and may be activated when exposed to UV-Vis light to generate ROS (H₂ O₂ ) which permeate into the cell body while the negatively charged ROS species such as O₂ ²⁻ remain on the cell surface and affect their integrity [116, 117]. Anti-bacterial activity of zinc oxide nanoparticles against many other bacteria has also been reported [1, 5, 114, 115]. It has been shown from TEM images that the nanoparticles have high impact on the cell surface (Fig. 4).

a TEM images of untreated normal Salmonella typhimurium sel. b Effects of nanoparticles on the cells (marked with arrows). c , d Micrograph of deteriorated and ruptured S. typhimurium cells treated with zinc oxide nanoparticles [115]

Sinha et al. [118] have also shown the influence of zinc oxide nanoparticles and silver nanoparticles on the growth, membrane structure, and their accumulation in cytoplasm of (a) mesophiles:Enterobacter sp. (gram negative) and B. subtilis (gram positive) and (b) halophiles:halophilic bacterium sp. (gram positive) and Marinobacter sp. (gram negative). Nanotoxicity of zinc oxide nanoparticles against halophilic gram-negative Marinobacter species and gram-positive halophilic bacterial species showed 80% growth inhibition. It was demonstrated that zinc oxide nanoparticles below 5 mM concentration are ineffective against bacteria. The bulk zinc oxide also did not affect the growth rate and viable counts, although they showed substantial decrease in these parameters. Enterobacter species showed dramatic alterations in cell morphology and reduction in size when treated with zinc oxide.

TEM images shown by Akbar and Anal [115] revealed the disrupted cell membrane and accumulation of zinc oxide nanoparticles in the cytoplasm (Fig. 4) which was further confirmed by FTIR, XRD, and SEM. It has been suggested that Zn ²⁺ ions are attached to the biomolecules in the bacterial cell via electrostatic forces. They are actually coordinated with the protein molecules through the lone pair of electrons on the nitrogen atom of protein part. Although there is significant impact of zinc oxide nanoparticles on both the aquatic and terrestrial microorganisms and human system, it is yet to be established whether it is due to nanoparticles alone or is a combined effect of the zinc oxide nanoparticles and Zn ²⁺ ions [55, 106, 109, 119]. Antibacterial influence of metal oxide nanoparticles includes its diffusion into the bacterial cell, followed by release of metal ions and DNA damage leading to cell death [63, 109,110,111]. The generation of ROS through photocatalysis is also a reason of antibacterial activity [62, 112]. Wahab et al. [120] have shown that when zinc oxide nanoparticles are ingested, their surface area is increased followed by increased absorption and interaction with both the pathogens and the enzymes. Zinc oxide nanoparticles can therefore be used in preventing the biological system from infections. It is clear from TEM images (Fig. 5a, b) of E. koli incubated for 18 h with MIC of zinc oxide nanoparticles that they had adhered to the bacterial cell wall. The outer cell membrane was ruptured leading to cell lysis. In some cases, the cell cleavage of the microbes has not been noticed, but the zinc oxide nanoparticles can yet be seen entering the inner cell wall (Fig. 5c, d). As a consequence of it, the intracellular material leaks out leading to cell death, regardless of the thickness of bacterial cell wall.

TEM images of Escherichia coli (a ), zinc oxide nanoparticles with E. koli at different stages (b and inset), Klebsiella pneumoniae (c ), and zinc oxide nanoparticles with K. pneumoniae (d and inset) [120]

Mechanism of interaction of zinc oxide nanoparticles with bacterial cells has been outlined below [120]. Zinc oxide absorbs UV-Vis light from the sun and splits the elements of water.

Dissolved oxygen molecules are transformed into superoxide, O₂ ⁻ , which in turn reacts with H ⁺ to generate HO₂ radical and after collision with electrons produces hydrogen peroxide anion, HO₂ ⁻ . They subsequently react with H ⁺ ions to produce H₂ O₂ .

It has been suggested that negatively charged hydroxyl radicals and superoxide ions cannot penetrate into the cell membrane. The free radicals are so reactive that they cannot stay in free and, therefore, they can either form a molecule or react with a counter ion to give another molecule. However, it is true that zinc oxide can absorb sun light and help in cleaving water molecules which may combine in many ways to give oxygen. Mechanism of oxygen production in the presence of zinc oxide nanoparticles still needs experimental evidence.

Zinc oxide at a dose of 5 μg/ml has been found to be highly effective for all the microorganisms which can be taken as minimum inhibitory dose.

Kesimpulan

Zinc is an indispensable inorganic element universally used in medicine, biology, and industry. Its daily intake in an adult is 8–15 mg/day, of which approximately 5–6 mg/day is lost through urine and sweat. Also, it is an essential constituent of bones, teeth, enzymes, and many functional proteins. Zinc metal is an essential trace element for man, animal, plant, and bacterial growth while zinc oxide nanoparticles are toxic to many fungi, viruses, and bacteria. People with inherent genetic deficiency of soluble zinc-binding protein suffer from acrodermatitis enteropathica, a genetic disease indicated by python like rough and scaly skin. Although conflicting reports have been received about nanoparticles due to their inadvertent use and disposal, some metal oxide nanoparticles are useful to men, animals, and plants. The essential nutrients become harmful when they are taken in excess. Mutagenic potential of zinc oxide has not been thoroughly studied in bacteria even though DNA-damaging potential has been reported. It is true that zinc oxide nanoparticles are activated by absorption of UV light without disturbing the other rays. If zinc oxide nanoparticles produce ROS, they can damage the skin and cannot be used as sun screen. Antibacterial activity may be catalyzed by sunlight, but hopefully, it can prevent the formation of ROS. Zinc oxide nanoparticles and zinc nanoparticles coated with soluble polymeric material may be used for treating wounds, ulcers, and many microbial infections besides being used as drug carrier in cancer therapy. It has great potential as a safe antibacterial drug which may replace antibiotics in future. Application of zinc oxide nanoparticles in different areas of science, medicine, and technology suggests that it is an indispensable substance which is equally important to man and animals. However, longtime exposure with higher concentration may be harmful to living system.

Mikroarray Mesopori VO2 Dua Dimensi untuk Superkapasitor Kinerja Tinggi Pengaruh Morfologi CH3NH3PbI3 Berbeda pada Sifat Fotovoltaik Sel Surya Perovskit