Nanopartikel Inti-Kulit Biogenik Au@Ag Sintesis dengan Ekstrak Rumex hymenosepalus untuk Aplikasi Antimikroba

Abstrak

Dalam karya ini, kami menggunakan metode sintesis berurutan untuk nanopartikel logam dua logam emas–perak dengan struktur inti@kulit (Au@AgPixels). Ekstrak akar Rumex hymenosepalus (Rh), yang mengandung katekin dan stilben yang tinggi, digunakan sebagai agen reduktor dalam sintesis nanopartikel. Distribusi ukuran yang diperoleh oleh Mikroskopi Transmisi Elektron (TEM) memberikan diameter rata-rata 36 ± 11 nm untuk Au@AgPixels, 24 ± 4 nm untuk nanopartikel emas (AuPixels), dan 13 ± 3 nm untuk nanopartikel perak (AgPixels). Bentuk geometris nanopartikel sebagian besar semi-sferis. Ketebalan kulit perak di atas AuPixels sekitar 6 nm dan dilapisi oleh biomolekul aktif di permukaan. Karakterisasi nanopartikel termasuk gambar lapangan gelap sudut tinggi (HAADF) yang direkam dengan mikroskop transmisi elektron pemindai (STEM), Spektroskopi X-ray Dispersif Energi (EDS), Difraksi X-ray (XRD), Spektroskopi UV–Vis, Potensi Zeta, dan Pencaharan Cahaya Dinamis (DLS). Spektrometer Transformasi Fourier Inframerah (FTIR), dan Spektroskopi Fotoelektron X-ray (XPS) menunjukkan bahwa nanopartikel stabil dengan molekul ekstrak. Studi kinetika pertumbuhan dilakukan menggunakan model Gompertz untuk mikroorganisme yang terpapar nanomaterial. Hasilnya menunjukkan bahwa AgPixels dan Au@AgPixels mempengaruhi fase lagaju dan laju pertumbuhan Escherichia coli dan Candida albicans secara dependen dosis, dengan respons yang lebih baik untuk Au@AgPixels.

Pendahuluan

Dalam 25 tahun terakhir, beberapa metode kimia telah diteliti untuk sintesis nanomaterial; namun, sebagian besar metode ini menggunakan bahan yang tidak ramah lingkungan dan menggunakan suhu tinggi atau peralatan mahal. Dalam karya ini, kami melakukan sintesis struktur nano emas–perak dengan menggunakan metode sintesis hijau. Metode ini meminimalkan polusi sejak awal. Dengan menggunakan proses "bersih", menghindari sebagian besar limbah dan penggunaan polutan berbahaya dalam mengembangkan "nanomaterial bersih" yang tidak menimbulkan ancaman bagi kesehatan atau lingkungan.

Sintesis hijau nanopartikel logam mencari pengaruh positif dari interaksi dengan sistem biologis, yang berarti bahwa nanopartikel dan fungsionalisasi mereka sendiri dengan molekul polifenol menghasilkan interaksi biologis yang kompatibel dengan sistem seperti sel dan makromolekul. Secara umum, interaksi biologis ini digunakan sebagai nanoteknologi medis untuk penyakit seperti kanker, diabetes, dan penyakit neurodegeneratif. Sintesis perak (kulit) dan AuPixels sebagai sistem inti–kulit memiliki aplikasi seperti sensor diagnostik optik, sensor molekular [1, 2], terapi fototermal, antimikroba dan meningkatkan proses katalitik [3,4,5,6] dibandingkan dengan nanopartikel logam tunggal.

Secara khusus, metode berurutan atau simultan dalam reaktor berbeda, metode kimia dan fisik [7] digunakan untuk sintesis bimetalik: pirolisis spray ultrasonik [8], metode sonokimia [5], chip mikrofluida [9], nanoprecipitasi nanofluida berurutan [10, 11] mikroemulsi [12], liposom [13], agen pengurang yang digunakan adalah jenis kimia atau hijau kimia.

Bahan kering digunakan dalam sintesis nanopartikel sebagai oksida logam [14], nanowarna karbon [15, 16], penggunaan lain mencetak perangkat elektron lunak [17]. Basah, nanopartikel digunakan pada sistem biologis [18,19,20] pengobat obat [21, 22], antimikroba [23, 24], aplikasi sensori [25] dan nanoteknologi komputasi adalah klasifikasi modern [26] yang digunakan untuk mendefinisikan penggunaan.

Khatami et al., meninjau sintesis hijau menggunakan tanaman untuk nanopartikel jenis inti@kulit, khususnya, digunakan Antigonon leptopus, Diopyros kaki, Azadirachta indica, Potamogeton pectinatus, Anacadium oceidentale untuk sintesis nanopartikel Au@Ag dengan ukuran antara 5 dan 500 nm (a), diuji untuk aplikasi yang berbeda (bukan antibakteri), dan Ekstrak Akar Asparagus racemosus digunakan untuk sintesis nanopartikel aloi Au–Ag yang ditemukan MIC pada 480 µg/mL diuji pada Escherichia coli, Bacillus subtilis, Klebsiella pneumonia, Pseudomonas aeruginosa, dan Staphylococcus aureus [27]. Au@Ag NPs yang diperoleh oleh sintesis kimia memiliki aplikasi sebagai antibakteri, dan MIC yang dilaporkan sekitar 2,5 µg/mL untuk kandungan perak (kulit) [28], Lu et. al. melaporkan sintesis kimia Au/AgNPs@Van yang disiapkan menggunakan NaBH₄ dan penambahan Vancomycin dan MIC adalah 60 nmol/mL untuk nanopartikel bimetalik diuji pada bakteri gram-positif dan negatif [29].

Properti antibakteri nanomaterial bimetalik [30,31,32,33,34] meningkat sebagai fungsi dari konsentrasi Ag. Sebaliknya, peningkatan konsentrasi Au menurunkan properti antibakteri tetapi mengurangi efek sitotoksik, yaitu, materi bimetalik menjadi lebih biokompatibel [35]. Membandingkan efek materi monometalik Au dan Ag dengan materi bimetalik [36,37,38,39,40], telah ditunjukkan bahwa efek sinergi [41] terjadi antara materi bimetalik, menghasilkan efek bifungsi [28, 42].

Fungsionalisasi nanomaterial memiliki minat khusus karena lingkungan kimia [43,44,45] (pH, keberadaan sulfur, molekul biokompatibel, dll.) yang melingkupi sistem akan memiliki efek pada interaksi dengan sel atau mikroorganisme; oleh karena itu, penekanan pada pembuatan biomaterial menggunakan kimia hijau [46,47,48,49,50,51,52,53,54,55].

Komposisi kimia partikel bimetalik [56,57,58] akan menjadi faktor penentu dalam properti optiknya [41, 59], karena efek sinergi dari struktur nano monometalik [60].

Dalam karya ini, nanopartikel emas dan perak disintesis menggunakan sebagai agen pengurang ekstraksi Rumex hymenosepalus, yang merupakan tanaman yang mengandung molekul stilben dan katekin yang bertindak sebagai antioksidan yang kuat dalam mengurangi ion logam. Nanopartikel emas digunakan sebagai inti untuk memperoleh nanopartikel bimetalik jenis inti@kulit Au@Ag melalui metode sintesis berurutan. Karakterisasi nanomaterial melibatkan teknik HAADF-STEM, TEM dengan EDS dan HRTEM.

Dengan berbagai jenis nanopartikel yang disintesis, studi komparatif dilakukan pada dinamika pertumbuhan bakteri E. coli dan S. aureus dan ragi Candida albicans.

Bagian Eksperimental

Bahan-bahan

Akar Rumex hymenosepalus diperoleh dari komersial di lokasi. Kedua prekursor HAuCl₄ dan AgNO₃ untuk sintesis nanopartikel dibeli dari Sigma-Aldrich dengan kemurnian 99%. Brain Heart Infusion (BHI) Broth dan Potato Dextrose Broth (PDB) yang digunakan untuk ensai mikroorganisme diperoleh dari Sigma-Aldrich. Etanol (99% murni) yang digunakan dalam proses pembersihan nanopartikel diperoleh dari Fermont, dan air ultrapure (milli-Q) digunakan dalam eksperimen.

Ekstrak Rumex hymenosepalus

Untuk persiapan ekstrak, 150 g akar yang dipotong irisan dan telah didiharkan sebelumnya direndam dalam 1000 mL campuran etanol/air 70/30 V/V. Rendus dilakukan pada suhu ruangan dalam wadah kaca dengan tutup kedap udara dan dilindungi dari cahaya. Absorbansi larutan yang diperoleh dipantau selama 21 hari hingga tidak ada perubahan dalam nilainya. Pada saat ini, proses renduman dianggap selesai. Ekstrak yang diperoleh difilter secara berurutan dengan filter kertas Whatman dengan ukuran pori 8 µm dan 2 µm dan akhirnya dengan filter acrodisc 0,22 µm. Etanol dihilangkan oleh rotovaporasi, dan konsentrat ekstrak air dibekukan pada -80 °C untuk liofilisasi (Labconco, FreeZone 1L). Bubuk yang diperoleh disimpan dalam wadah steril dilindungi dari cahaya pada suhu ruangan hingga digunakan.

Sintesis AuPixels

Pertama, larutan air Rumex hymenosepalus disiapkan pada 10 mg/mL dari ekstrak liofil. Kemudian 16 mL larutan Rumex dicampur dengan 32 mL air ultrapure, dengan mengaduk pada 1000 rpm dan ditambahkan perlahan 16 mL HAuCl₄ (0,01 M). Reaksi dipertahankan selama satu jam di bawah kondisi pencahayaan laboratorium dan pada suhu ruangan. Intensitas resonansi plasmon permukaan (λ_SPR = 540 nm) dievaluasi oleh spektroskopi UV–Vis seiring waktu; ketika tidak ada perubahan yang terlihat, sintesis dianggap selesai. Produk yang diperoleh diusapkan pada 12.000 rpm, nadir diganti dengan air ultrapure, dan proses sonikasi diterapkan selama 1 jam untuk mendisperapkan nanopartikel. Prosedur diulang tiga kali lagi. Air digunakan sebagai pelarut pada dua kali pertama dan etanol pada yang terakhir. Akhirnya, disper etanol diusapkan, dan endapan dikeringkan dalam oven konveksi pada 40 °C untuk menyiapkan disper air AuPixels pada 2300 µg/mL.

Sintesis Au@AgPixels

Untuk sintesis Au@AgPixels, 2 mL disper air AuPixels (2300 µg/mL), 0,8 mL AgNO₃ (0,1 M), dan 0,8 mL larutan Rumex hymenosepalus (10 mg/mL) ditempatkan dalam tab kultura kaca steril. Campuran di-sonikasi selama 3 jam dalam kamus ultrasonik (Branson, Model 2510). Kemudian, isi diusapkan pada 12.000 rpm selama satu jam, padatan yang diperoleh didisper ulang dalam air ultrapure dengan sonikasi untuk memperoleh konsentrasi 1000 µg/mL.

Sintesis AgPixels

Untuk menghasilkan AgPixels, 16 mL larutan ekstrak (10 mg/mL) dicampur dengan 64 mL air ultrapure, dan 8 mL AgNO₃ 0,1 M. Reaksi dilakukan selama satu jam di bawah kondisi pencahayaan laboratorium pada 25 °C, dan resonansi plasmon permukaan (λ_SPR^Ag = 440 nm) dipantau oleh spektroskopi UV–Vis seiring waktu untuk menilai pembentukan. Produk diusapkan pada 12.000 rpm, nadir diganti dengan air ultrapure, dan sonikasi diterapkan selama 1 jam. Prosedur diulang tiga kali lagi. Air digunakan sebagai pelarut pada dua kali pertama dan etanol pada yang terakhir. Disper etanol diusapkan dan endapan dikeringkan dalam oven konveksi pada 40 °C. Akhirnya, debu AgPixels yang diperoleh didisper ulang dalam air ultrapure dengan sonikasi untuk menghasilkan disper koloid pada konsentrasi 2000 µg/mL.

Karakterisasi

Spektrum absorpsi UV–Vis diperoleh pada spektrometer dual-beam PerkinElmer Lambda 45. Selit 0,5 nm digunakan, dan spektrum direkam dengan kecepatan 480 nm/min dalam rentang antara 200 dan 900 nm. Untuk nanopartikel, 50 µL sampel dan hanya 5 µL untuk ekstrak digunakan. Volume akhir dibuat hingga 3 mL dalam sel kuarsa menggunakan air ultrapure sebagai pelarut.

Potensi zeta (ζ) AuPixels, AgPixels, dan Au@AgPixels diukur menggunakan Zetasizer-Nano ZS (Malvern Instruments, UK). Setiap sampel diukur pada suhu ruangan (25 °C) secara triplik dan sebagai fungsi konsentrasi pada 1, 10, 50, dan 100 µg/mL untuk setiap sampel.

DLS untuk AuPixels, AgPixels, dan Au@AgPixels diukur menggunakan Zetasizer-Nano ZS (Malvern Instruments, UK) yang dilengkapi dengan laser He–Ne 633 nm. Setiap sampel diukur pada suhu ruangan (25 °C) secara triplik dan sebagai fungsi konsentrasi pada 1, 10, 50, dan 100 µg/mL untuk setiap sampel. Indeks Polidispersi (PDI) ditentukan dari eksperimen DLS menggunakan perangkat lunak Malvern melalui definisi PDI = (σ / D̄)², di mana D adalah Diameter rata-rata dan σ adalah deviasi standar dari D. Nilai PDI dengan 0,10 atau kurang dianggap sangat monodispersi [62].

Band gap optik E_g dihitung untuk AgPixels, AuPixels, Ag@AuPixels, menggunakan persamaan Tauc untuk menentukan bandgap dalam materi dengan hubungan berikut:

α = (c / hν) (hν - E_g)^(1/n) (1)

di mana α adalah koefisien absorpsi materi (α = 2,303 A/d di mana A adalah absorbansi dan d adalah lebar sel) dan di mana E_g adalah energi band gap optik dan hν adalah energi foton yang diperoleh dengan menggambar garis antara (αhν)^n dan energi foton hν. Indeks n diambil sebagai 2 untuk transisi band ke band langsung yang diizinkan dalam sampel [63] dan dapat dengan mudah dievaluasi dengan plot garis lurus [64]. Bergantung pada jenis transisi yang mungkin memiliki nilai 1/2, 2, 3/2, dan 3 yang berkaitan dengan transisi langsung yang diizinkan, tidak langsung yang diizinkan, langsung yang dilarang, dan tidak langsung yang dilarang, masing-masing [65].

Sampel AgPixels, AuPixels, Ag@AuPixels, dan Rh dianalisis melalui absorpsi inframerah menggunakan FTIR (PerkinElmer, Inc., Waltham, Spectrum Two). Parameter akuisisi adalah: resolusi 4 cm⁻¹, 16 skan, dan rentang panjang gelombang antara 4000 dan 900 cm⁻¹.

Assai spektroskopi fotoelektron X-ray dilakukan pada model PerkinElmer PHI 5100, yang berisi sumber dual Mg/Al, 300 W, 15 kV. Garis emisi Mg Kα dengan energi 1253,6 eV digunakan untuk AgPixels, AuPixels, Ag@AuPixels, dan Rh. Semua eksperimen dilakukan dalam kondisi vakum 2 × 10⁻⁹ Torr. [66]. Data dianalisis menggunakan perangkat lunak Multipak. Untuk karakterisasi XPS, disper nanopartikel yang berbeda dan larutan ekstrak Rumex hymenosepalus ditempatkan pada selubung kaca bersih sebagai berikut. 30 µL sampel ditambahkan ke selubung kaca membiarkannya kering sepenuhnya untuk deposit berikutnya. Proses diulang sekurang-kurangnya 5 kali hingga tipis terbentuk dan kemudian dikarakterisasi oleh XPS.

Mikroskopi Transmisi Elektron Pemindai Lapangan Gelap Sudut Tinggi (HAADF-STEM) dapat dianggap sebagai mode operasi yang kuat dalam mikroskopi elektron, yang memberikan sejumlah besar informasi komplementer yang menjelaskan struktur nanomaterial. HAADF-STEM yang dikoreksi aberasi dapat menentukan dengan resolusi atom posisi atom dari sifat kimia yang berbeda. Ini karena HAADF-STEM yang dikoreksi aberasi, dikenal karena sensitivitas kimia dan resolusi spasial tinggi [67]. Dalam mode operasi ini, gambar tidak koheren dominan dengan kontribusi kontras difraksi yang boleh diabaikan [68]. Dengan demikian, kontras nomor atom (Z contrast) dalam HAADF-STEM yang dikoreksi aberasi memungkinkan kami untuk menentukan detail struktural nanostruktur dengan presisi yang besar.

Untuk analisis STEM, sampel dianalisis dalam mikroskop elektron JEOL-JEMARM200 yang beroperasi pada 200 kV, dengan korektor CEOS untuk lensa kondensor. Gambar STEM Kontras Z direkam secara bersamaan dalam mode BF dan HAADF. Gambar direkam dengan selang kondensor 40 mikron (sudut konvergensi 32–36 mrad) dan ukuran spot 9 pA.

Untuk analisis mikroskopi elektron, titik (10 µL) suspensi Au@AgPixels ditempatkan pada jaring karbon 300-mesh, dikeringkan pada suhu ruangan, dan ditempatkan dalam ruang vakum selama 24 jam.

Nanopartikel dianalisis oleh TEM dalam aparatur Jeol 2010F (resolusi 1,9 Å) pada 200 kV. Analisis EDS dilakukan menggunakan spektrometer X-ray QUANTAX 200-TEM (Bruker) dengan detektor XFlash 4010. Untuk analisis HRTEM, mikrograf TEM direkam pada pembesaran lebih dari 100.000X. Jarak antar bidang kristal ditentukan oleh analisis mikrogram digital (3.0 Gatan Version). Persiapan sampel mirip dengan yang dijelaskan di atas untuk analisis STEM.

Data dikumpulkan menggunakan sistem difraktometer Bruker D8 QUEST yang dilengkapi dengan monokromator cermin berlapis dan tabu terpaku Cu Kα microfocus (λ = 1,54178 Å). Frame dikumpulkan pada T = 300 K melalui skan ω/φ dan kemudian diproses untuk memperoleh difraktogram Intensitas vs. 2Theta. Perangkat lunak High Score Plus digunakan untuk pengolahan data mentah dan basis data difraksi bubuk ICSD yang terkait dengan perangkat lunak diimplementasikan untuk analisis identifikasi fase pencocokan.

Uji Aktivitas Antibakteri

Mikroorganisme yang diuji adalah bakteri Escherichia coli (ATCC 25922), Staphylococcus aureus (ATCC 5538P), dan ragi Candida albicans yang diisolasi dari urin terinfeksi yang dikumpulkan dari pasien pria dewasa dengan infeksi saluran kemih (studi kami mengikuti prinsip Deklarasi Helsinki). Brain Heart Infusion (BHI) dan Potato Dextrose Broth (PDB) digunakan untuk menyiapkan inokulum bakteri dan ragi, masing-masing. Kultur diinkubasi selama semalaman pada 37 ºC. Konsentrasi dalam unit pembentukan koloni (CFU/mL) per mililiter suspensi ditentukan dengan mengukur kepadatan optik dengan UV–Vis pada 540 nm untuk bakteri, 600 nm untuk ragi. Suspensi yang mengandung 4 × 10⁸, 7,8 × 10⁸, dan 2,5 × 10⁶ CFU/mL digunakan untuk E. coli, S. aureus, dan C. albicans, masing-masing. Aktivitas antimikroba diuji pada piring 96-lubang, menggunakan medium kultur cair yang ditambahkan nanopartikel dan mikroorganisme pada 37 ºC. Semua uji dilakukan secara triplik. Absorbansi diukur dalam pembaca piring multimode Synergy HTX Biotek, menggunakan perangkat lunak Gen 5. Semua kurva pertumbuhan mikroba dilakukan menggunakan perangkat lunak Origin Lab 8.0. Sebagai langkah pertama, 70 µL medium broth segar (BHI atau PDB, menurut mikroorganisme yang diteliti) dicampur dengan nanopartikel pada konsentrasi yang diperlukan ditambahkan ke lubang. Kemudian, 30 µL suspensi mikroorganisme ditambahkan ke lubang dan homogen dengan medium. Volume akhir pada setiap lubang adalah 100 µL. Setelah mendispensing inokulum, piring 96-lubang dibaca dalam spektrofotometer yang disebutkan di atas. Piring disimpan pada 37 °C selama 24 jam, dengan mode getaran lingkaran sebelum setiap pembaca dengan periode 15 menit masing-masing. Laju pertumbuhan mikroorganisme ditentukan oleh pengukuran kepadatan optik (OD) pada panjang gelombang yang disebutkan.

Kurva Pertumbuhan Dianalisis dengan Model Gompertz

Telah diketahui dalam literatur bahwa model pertumbuhan Gompertz secara baik menggambarkan pertumbuhan populasi mikroorganisme. Model ini memungkinkan kami untuk memahami dua parameter kritis dalam deskripsi pertumbuhan populasi mikroorganisme: fase adaptif (fase lagaju) dan laju pertumbuhan populasi. Secara khusus, mempelajari perilaku fase Lagaju dalam perawatan inhibitor mikroorganisme relevan karena memberikan informasi tentang respons adaptif mikroorganisme terhadap perawatan dan bahkan dapat memberikan indikasi tentang perkembangan resistensi mikroorganisme terhadap perawatan yang dievaluasi [69].

Model Gompertz yang dimodifikasi telah dijelaskan oleh Zwietering et al. [70] dan disesuaikan oleh Li et al. [69] dan penulis lainnya [71,72,73,74,75,76,77,78] sebagai model yang menyesuaikan kurva pertumbuhan dan

y = A exp { - exp [ (μ e / A) (λ - t) + 1 ] } (2)

di mana A adalah jumlah sel yang diekspresikan sebagai OD₅₄₀ (S. aureus dan E. coli) dan OD₆₀₀ (C. albicans), μ adalah laju pertumbuhan pada fase eksponensial dan e adalah eksponensial e¹, λ adalah fase lagaju. Kami menyesuaikan kinetika pertumbuhan kami menggunakan perangkat lunak origin 9.1 untuk menganalisis efek terhadap S. aureus, E. coli, dan C. albicans dari tiga agen AuPixels, AgPixels, dan Au@AgPixels.

Efek Nanopartikel terhadap Pertumbuhan E. coli, S. aureus, dan C. albicans

Escherichia coli dan Staphylococcus aureus diinkulasi dalam medium BHI, dan C. albicans diinkulasi dalam broth PD. Semua kultur diinkubasi selama semalaman pada 36° C. Setelah inkubasi, tiga kultur disesuaikan ke absorbansi 1, 0,7, dan 1, masing-masing (λ = 540 nm). AuPixels, AgPixels, dan Au@AgPixels disesuaikan pada konsentrasi 50 µg/mL. Dalam piring mikrowell 96, kultur yang disesuaikan diekspos terhadap nanopartikel dalam hubungan 7:3, mencapai volume akhir 200 µL setiap mikrowell. Juga, kultur yang disesuaikan diekspos terhadap air steril sebagai kondisi kontrol dalam kondisi yang sama yang sebelumnya dijelaskan. Kontrol lainnya yang digunakan untuk eksperimen ini adalah medium segar dan setiap solusi nanopartikel tanpa mikroorganisme. Escherichia coli, Staphylococcus aureus, dan Candida albicans diekspos terhadap AuPixels, AgPixels, dan Au@AgPixels, masing-masing. Piring mikrowell diinkubasi pada 36° C, dan sampel dari setiap mikroorganisme dalam kondisi perawatan dan kontrol diperoleh pada 1, 7, 13, dan 19 jam. Sampel yang dikumpulkan didilusi dalam larutan garam 1:10 secara berurutan dan disebar di permukaan piring Müeller–Hinton. Piring yang diinkulasi diinkubasi pada 36 °C selama 24 jam. Setelah inkubasi, CFU/mL dihitung dengan perhitungan langsung.

Penentuan Konsentrasi Bacterisidal Minimal (MBC)

Staphylococcus aureus, Escherichia coli, dan Candida albicans diinkulasi masing-masing ke dalam broth Müeller–Hinton diinkubasi selama semalaman pada 36° C dan disesuaikan ke 0,5 McFarland Nephelometer. Setelah inokulum disesuaikan untuk penentuan konsentreri inhibitor minimal (MIC), uji mikrodilasi dilakukan. Secara singkat, piring 96-lubang digunakan untuk tujuan ini. 160 µL kultur yang disesuaikan dari setiap mikroorganisme dicampur ke 5 lubang. Solusi AuPixels, AgPixels, dan Au@AgPixels 1000 µg/mL disiapkan. Solusi sebelumnya digunakan untuk menyiapkan solusi 750, 500, dan 250 µg/mL. Air steril murni digunakan sebagai 0 µg/mL nanopartikel, dan 40 µL dari setiap solusi sebelumnya ditambahkan ke 160 µL kultur yang disesuaikan. Dengan cara ini, setiap kultur diekspos pada konsentrasi akhir 200, 150, 100, 50, dan 0 µg/mL dari setiap nanopartikel yang diuji. Mikropiring diinkubasi pada 36° C selama 24 jam. Setelah itu, sampel dari setiap lubang diinkulasi pada permukaan Müeller–Hinton dan diinkubasi dalam kondisi yang sama yang sebelumnya dijelaskan. Setelah inkubasi, piring Müeller–Hinton diobservasi mencari sinyal pertumbuhan apa pun. Konsentrasi di mana tidak ada sinyal pertumbuhan yang diamati dicatat sebagai nilai MBC.

Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi

Gambar 1a menunjukkan spektrum absorpsi UV–vis dari nanomaterial yang disintesis. Absorbansi telah dinormalisasi untuk resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR) maksimum yang sesuai dengan setiap sistem nanopartikel.

Nanopartikel Inti-Kulit Biogenik Au@Ag Sintesis dengan Ekstrak Rumex hymenosepalus untuk Aplikasi Antimikroba

Spektrum absorpsi Au@AgPixels dalam Gambar 1a memiliki satu puncak yang berpusat pada 474 nm, yang terletak antara LSPR AgPixels (445 nm) dan LSPR AuPixels (544 nm). Ketidakadaan puncak absorpsi seperti emas pada Au@AgPixels menunjukkan bahwa nanomaterial yang diperoleh oleh sintesis berurutan adalah struktur inti@kulit. Tidak mungkin untuk mendeteksi puncak absorpsi apa pun yang terkait dengan Au yang termasuk inti. Beberapa penulis mengasumsikan bahwa untuk sistem inti@kulit, spektrum absorpsi terdiri dari dua puncak yang terkait dengan masing-masing logam untuk ketebalan kulit antara 3 dan 4 nm. Absorpsi yang terkait dengan logam inti menghilang untuk ketebalan yang lebih tinggi, menghasilkan satu puncak absorpsi di mana lokasi maksimum tergantung pada rasio ketebalan/ukuran inti partikel bimetalik [79, 80].

Samal et al. [81] menyintesis nanopartikel inti@kulit (Au@Ag) dengan mengontrol ukuran inti dan menambahkan kulit dengan ketebalan yang berbeda. Secara khusus, hasil UV–vis kami untuk Au@AgPixels cocok dengan yang dilaporkan oleh Samal et al. untuk inti emas 32 nm dan ketebalan perak lebih dari 15 nm, di mana spektrum dikarakterisir oleh satu puncak absorpsi (~ 450 nm), dan pemadaman plasmon permukaan Au diamati.

Selain itu, dalam Gambar 1a, absorpsi yang berpusat pada 280 nm (daerah yang disorot biru) dapat diamati, yang sesuai dengan molekul dari ekstrak Rumex hymenosepalus yang digunakan sebagai agen pengurang dalam sintesis nanopartikel kami. File tambahan 1: Gambar S1 sesuai dengan spektrum absorpsi larutan air Rumex hymenosepalus. Puncak karakteristik yang berpusat pada 278 nm diamati, yang terkait dengan transisi elektron cincin aromatik yang dikonjugasi dengan grup karbonil dari senyawa polifenolik [82]. Pita absorpsi ini dalam spektrum UV-Vis nanopartikel menunjukkan bahwa produk akhir mengandung molekul ekstrak yang tetap dalamnya, Rivero-Cruz et. al. telah melaporkan empat stilbenoid, dua flavan-3-ol, dan tiga antrakuinon yang diisolasi dari R. hymenosepalus [83] dan Rodríguez-León et. al. telah melakukan studi resonansi magnetik nuklir untuk menentukan bahwa Rumex hymenosepalus mengandung molekul penting seperti glikosida stilben dan epikatekin galat dan epigalokatekin galat [61]. Molekul ini berpartisipasi sebagai agen pengurang dalam sintesis nanopartikel. Proses melibatkan deprotonasi beberapa grup -OH dari cincin fenol untuk membentuk grup = CO. Molekul polifenolik dioksidasi, dan elektron yang dilepaskan ditransfer ke ion Ag⁺ dan Ag³⁺ untuk membentuk Au⁰ dan Ag⁰.

Gambar 1b menunjukkan nilai Potensi Zeta yang sesuai dengan AuPixels, AgPixels, dan Au@AgPixels pada konsentrasi 1, 10, 50, dan 100 µg/mL. Nanopartikel didisper dalam air ultrapure, dan pengukuran dilakukan secara triplik pada 25 ℃. Secara umum, dalam seluruh rentang konsentrasi, nanopartikel menunjukkan nilai potensi zeta yang lebih negatif dari -30 mV, mencapai nilai -40 mV pada konsentrasi 100 µg/mL untuk AuPixels dan Au@AgPixels dan -38 mV untuk AgPixels. Nilai potensi zeta yang sangat negatif ini menunjukkan bahwa nanopartikel mengalami interaksi refleksi di antara mereka yang mencegah agregasi dan memungkinkan stabilitas jangka panjang koloid logam [84,85,86]. Dengan mengkaitkan hasil spektroskopi UV-Vis dengan nilai potensi zeta yang diperoleh, kami dapat menetapkan bahwa nilai yang sangat negatif mungkin disebabkan oleh kompleksasi molekul polifenol dari ekstrak di permukaan nanopartikel [87].

Untuk aplikasi biologis, berharga untuk memperoleh populasi nanopartikel dengan ukuran monodispers [88], jadi Gambar 1c dan d menunjukkan nilai DLS yang sesuai dengan diameter rata-rata dan indeks polidispersi (PDI) untuk AuPixels, AgPixels, dan Au@AgPixels pada konsentrasi 1, 10, 50, dan 100 µg/mL. Diameter rata-rata Au@AgPixels sekitar 250 nm dan tetap konstan sebagai fungsi konsentrasi, dengan cara yang sama untuk nanopartikel monometalik dengan diameter rata-rata sekitar 122 dan 135 nm untuk AuPixels dan AgPixels, masing-masing. Dalam kasus yang sama diamati bahwa nilai PDI sekitar 0,3 untuk nanopartikel monometalik dan 0,2 untuk Au@AgPixels. Hasil ini, di mana ukuran tidak bervariasi dengan konsentrasi, menunjukkan bahwa sistem nanopartikel yang berbeda memiliki stabilitas yang baik dengan polidispersi ukuran yang sedang (0,3 ≥ PDI ≥ 0,2).

Band gap optik plot Tauc dihitung (File tambahan 1: Gambar S2). Konduksi band oleh materi semiconductor memiliki nilai E_g < 3 eV, sebagai referensi germanium memiliki E_g < 0,7 eV dan silicon adalah E_g = 1,1 eV [89]. Dalam kasus kami, band gap untuk Au@AgPixels, AuPixels, dan AgPixels adalah 1,93 eV, 2,03 eV, dan 2,33 eV, masing-masing. Ini berarti bahwa materi ini dianggap seperti semiconductor, dan fitur ini diperoleh untuk efek pembatasan kuantum yang menghasilkan peningkatan jarak energi, sehingga nanomaterial dapat digunakan sebagai sensor, baterai, dan perangkat optoelektronik [64].

Untuk menentukan apakah senyawa organik ada dalam nanopartikel, nanomaterial ini dikarakterisasi oleh XPS dan FTIR. Gambar 2a menunjukkan spektrum survei dari ekstrak tanaman dan nanopartikel. Seperti yang dapat dilihat, semua sistem nanopartikel menunjukkan sinyal karakteristik yang terkait dengan elemen karbon (C 1 s, 284,6 eV) dan oksigen (O 1 s, 532,2 eV) dari ekstrak Rumex hymenosepalus. Hasil ini mengonfirmasi bahwa molekul organik dari ekstrak ada dalam nanomaterial yang diperoleh. Selain itu, spektrum XPS resolusi tinggi diperoleh untuk menganalisis status oksidasi perak dan emas dalam nanopartikel (File tambahan 1: Gambar S3). Untuk AgPixels (File tambahan 1: Gambar S3A), sinyal pada energi ikatan 373,76 eV dan 367,76 eV (∆BE = 6,0 eV) yang sesuai dengan garis spektral 3d3/2 dan 3d5/2 dapat dikaitkan dengan Ag⁰ (perak logam). Untuk AuPixels (File tambahan 1: Gambar S3B), puncak yang terkait dengan kopling spin-orbit 4f5/2 terletak pada energi ikatan 87,65 eV. Untuk 4f7/2, puncak kopling spin-orbit terletak pada 83,98 eV. Rasio intensitas (I4f7/2 > I4f5/2), lokasi, dan pemisahan antara puncak (ΔBE = 3,67 eV) mengonfirmasi bahwa ion emas (Au³⁺) direduksi sepenuhnya menjadi emas logam Au⁰ [90]. Untuk Au@AgPixels, spektrum XPS resolusi tinggi yang sesuai dengan perak dan emas ditunjukkan dalam File tambahan 1: Gambar S3C dan Gambar S3-D, masing-masing. Spektrum ini menunjukkan perilaku yang sama seperti monometaliknya. Ini menunjukkan bahwa baik perak maupun emas bernilai nol dalam presentasi inti@kulit.

FTIR dalam Gambar 2e menunjukkan pada 3296 cm⁻¹ grup hidroksil, 2974 cm⁻¹ (C–H) ikatan cincin aromatik, 1689 cm⁻¹ yang terkait dengan meregang grup karbonil (C=O), dan 1689–1400 cm⁻¹ karena ikatan karbonat (C–O) dan meregang ikatan karbon–karbon dan 1212 cm⁻¹ yang terkait dengan meregang phenol C–O yang dikonjugasi dengan AuPixels, 1049 cm⁻¹ mode meregang C–O dari molekul ester katekin grup [88,89,90] dan 799 cm⁻¹ lentur dari luar bidang dalam phenol, C–H lentur dilaporkan pada 964,4, dan 829,39 cm⁻¹ ciri resveratrol [91] bergeser dalam ekstrak Rh menjadi 1031 dan 867 cm⁻¹, masing-masing, dan AuPixels, AgPixels, dan Au@AgPixels juga bergeser yang menunjukkan kompleksasi molekul polifenolik dari ekstrak Rh dengan nanopartikel.

Gambar 3a sesuai dengan mikrograf bright-field STEM representatif dari sistem Au@AgPixels pada pembesaran rendah (skala batas 100 nm). Sekumpulan nanopartikel tanpa agregasi dan sebagian besar geometri semi-sferis dapat dilihat. Daerah yang sama ditunjukkan dalam dark field (HAADF) dalam Gambar 3b, dan struktur inti@kulit dapat diamati, di mana inti Au terlihat lebih intens daripada kulit Ag, karena perbedaan nomor atom. Gambar 3c dan d sesuai dengan mikrograf STEM pembesaran tinggi (skala batas 20 nm) dari sekelompok nanopartikel sistem inti@kulit dalam bright dan dark field, masing-masing. Dapat dihargai dengan jelas inti Au yang cerah dan kulit Ag yang kontras ringan. Gambar-gambar ini menunjukkan bahwa ketebalan kulit Ag bervariasi antara 3 dan 5 nm. File tambahan 1: Gambar S4 sesuai dengan galeri gambar individu di mana dapat diamati keseragaman kulit Ag.

Gambar 4a, c, dan e sesuai dengan mikrograf TEM dari sistem nanopartikel representatif AuPixels, AgPixels, dan Au@AgPixels, masing-masing. Dalam semua kasus, nanopartikel memiliki morfologi seperti bola dan ditampilkan terpisah satu sama lain. Ini dapat dijelaskan oleh molekul ekstrak di permukaan nanopartikel, bertindak sebagai spasi di antara mereka. Gambar 4b, d, dan f menunjukkan histogram yang sesuai dengan distribusi ukuran yang diperoleh oleh TEM dan dilakukan dengan 500 nanopartikel yang dikumpulkan dari 15 hingga 20 mikrograf untuk setiap nanomaterial. Histogram menunjukkan distribusi Gaussian dengan ukuran rata-rata 24 ± 4 nm (AuPixels), 13 ± 3 nm (AgPixels), dan 36 ± 11 nm (Au@AgPixels). Ketidaksesuaian nilai antara pengukuran DLS dan TEM dengan grafik distribusi ukuran adalah karena kondisi mikro-lingkungan di sekitar nanopartikel, sementara DLS menunjukkan diameter untuk sistem yang termasuk logam, lapisan hidrasi, dan pelarut dengan bandingannya dalam pengukuran TEM adalah sistem kering di mana pengukuran hanya pada logam, khususnya, dalam DLS molekul yang digunakan untuk kompleksasi nanopartikel (agen pengurang dan stabilisator) adalah dispergen yang menginduksi kesalahan dalam pengukuran ukuran dan menggeser hasilnya ke nilai yang lebih tinggi [91].

Gambar 5 sesuai dengan mikrografik HAADF-STEM Au@AgPixels. Satu nanopartikel ditunjukkan dalam Gambar 5a dengan inti emas dan penutup perak yang sempurna dibatasi, nomor atom (Z) berubah melalui antarmuka Au@Ag, variasi intensitas dapat dikuatkan oleh HAADF-STEM [67].

Daerah kotak merah diperbesar untuk memperoleh mikrografi HRTEM bagian kulit (Gambar 5b), dan kemudian untuk memverifikasi struktur kristal kulit, daerah periferi nanopartikel dianalisis (kotak terhenti) dengan perangkat lunak Digital Micrograph 3.0 (Gatan). Gambar Fast Fourier Transform (FFT) dari daerah yang dipilih diperoleh (Gambar 5c). Menggunakan Fast Fourier Transform Invers mungkin untuk memperkirakan jarak antar bidang 2,3 Å, 2,0 Å, dan 1,4 Å dalam Gambar 5d. Jarak ini dapat ditetapkan, masing-masing, ke bidang kristal (111), (200), dan (220) perak kubus berpusat muka (fcc) sesuai dengan Basis Data Struktur Kristal Anorganik (ICSD) di FIZ Karlsruhe–Leibniz Institute for Information Infrastructure, Jerman atau perangkat lunak kristalografi elektron Jems (V 4-5430, JEMS-SAAS, Swiss) [92]. Analisis serupa dari struktur kristal oleh HRTEM dilakukan untuk nanopartikel monometalik seperti diilustrasikan dalam File tambahan 1: Gambar S5 (untuk AuPixels) dan S6 (AgPixels). Dalam kedua kasus, struktur kristal sesuai dengan kubus berpusat muka (fcc).

Analisis kimia EDS menunjukkan keberadaan kedua logam untuk sekelompok bimetalik Au@AgPixels yang diamati oleh TEM (Gambar 6a) dalam proporsi persentase berat atom 77% Ag (kulit) dan 23% Au (inti) (Gambar 6b). Dalam bandingannya, satu bimetalik (Gambar 6c) Au@AgPixels memiliki proporsi sekitar 80% Ag (kulit) dan 20% Au (inti) (Gambar 6d). Untuk memperkirakan persentase atom emas dan perak pada nanopartikel inti@kulit (Au@Ag), pendekatan geometri semi-sferis dari morfologi nanopartikel dipertimbangkan. Diameter rata-rata AuPixels yang diperoleh dari distribusi ukuran TEM (D̄_Au = 24 nm) digunakan untuk estimasi volume inti (V_Au), dan diameter rata-rata Au@AgPixels (D̄_Au@Ag = 36 nm) untuk estimasi volume inti@kulit (V_Au@Ag). Dengan demikian, volume kulit ditentukan sebagai V_Ag = V_Au@Ag - V_Au. Konten atom total Au dan Ag dihitung dengan mempertimbangkan struktur kristal fcc (4 atom per sel satuan) untuk kedua logam di mana parameter jaring Au dan Ag adalah 4,0783 Å dan 4,0862 Å, masing-masing [93]. Estimasi konten atom dengan prosedur ini adalah 70% untuk Ag (Kulit) dan 30% Au (Inti), yang berbeda sebesar 10% terhadap ukuran yang diperoleh oleh EDS. Gambar 7 menunjukkan estimasi teoretis konten perak dan emas dan bagaimana berubah seiring peningkatan ketebalan kulit, sementara ukuran AuPixels (24 nm) dipertahankan konstan. Terlihat bahwa untuk Au@AgPixels dengan diameter lebih dari 30,2 nm, konten atom perak melebihi konten emas. Dalam Materi Tambahan, deskripsi rinci perhitungan dilakukan untuk memperoleh persentase konten atom. Estimasi serupa dari persentase atom dilakukan dengan mempertimbangkan diameter inti Au yang berbeda dan mengubah diameter Au@AgPixels (File tambahan 1: Gambar S7A-B).

Gambar 8 sesuai dengan pola XRD untuk AuPixels dan AgPixels serta bimetalik Au@AgPixels. Semua produk yang disintesis memiliki struktur kristal fcc seperti yang sebelumnya dilaporkan dalam karakterisasi oleh mikroskopi elektron. Puncak untuk Au@AgPixels terletak pada sudut difraksi 2θ 38,25°, 44,4°, 64,9°, 77,85°, dan 81,25°. Seperti yang dapat dihargai dalam gambar, puncak difraksi AgPixels dan AuPixels ditemukan pada posisi yang sama yang disebutkan dengan selisih ± 0,5°. Ini karena Au dan Ag memiliki konstanta jaring yang sangat mirip, jadi pola difraksi mereka untuk struktur kristal fcc hampir identik [94,95,96]. Dengan cara ini, puncak difraksi dalam Gambar 8 ditetapkan, masing-masing, ke bidang kristal (111), (200), (220), (311), dan (222) dari struktur fcc emas dan perak oleh JCPDS: 4-0783 dan 4-0784 [97].

Aktivitas Antimikroba

Materi monometalik (AgPixels, AuPixels) dan bimetalik (Au@AgPixels) diuji pada empat konsentrasi yang berbeda: 1, 10, 50, dan 100 μg/mL. Mikroorganisme yang dipilih untuk mengevaluasi aktivitas antimikroba adalah ragi Candida albicans, bakteri gram-positif S.aureus, dan bakteri gram-negatif E. coli. Kurva kinetika pertumbuhan dalam waktu singkat 24 jam ditunjukkan dalam Gambar 9.

Candida albicans

AuPixels tidak menunjukkan efek pada kinetika pertumbuhan hingga 10 jam (Gambar 9a), bervariasi secara dependen dosis absorbansi yang tercapai pada 24 jam. Menariknya, dengan 50 µg/mL atau lebih, kinetika pertumbuhan menunjukkan lereng negatif yang curam dari 10 jam hingga mencapai reduksi 45% pada 24 jam, yang menunjukkan efek antifungal dari materi ini. Ini dapat dikaitkan dengan kemampuan nanopartikel emas untuk berinteraksi dengan protein yang relevan yang ada dalam jamur seperti H⁺-ATPase, yang mempengaruhi aktivitas pompa proton. Ini merusak kemampuan ragi untuk menyerap nutrisi yang menyebabkan kematiannya [61]. Dalam Gambar 9b dan c diamati bahwa AgPixels dan Au@AgPixels menghambat pertumbuhan ragi Candida albicans dari 10 µg/mL. Penentuan konsentrasi MIC₅₀ untuk kedua materi ini diestimasi dari kurva respons–dosis yang ditunjukkan dalam File tambahan 1: Gambar S8. MIC₅₀ didefinisikan sebagai konsentrasi nanopartikel yang menghasilkan penurunan 50% absorbansi dibandingkan kontrol (ragi tanpa perawatan). Untuk AgPixels dan Au@AgPixels, MIC₅₀ adalah 2,21 µg/mL dan 2,37 µg/mL, masing-masing.

Namun, menurut hasil EDS (Gambar 9b), kandungan perak dalam Au@AgPixels adalah 64,85% massa. Dengan demikian, konsentrasi perak dalam Au@AgPixels untuk MIC₅₀ adalah 1,53 µg/mL, 30% lebih rendah dari kasus AgPixels. Padmos et. al. telah menunjukkan bahwa nanopartikel perak memiliki fitur antibakteri yang penting, tetapi sitotoksik oleh sel mamalia efek ini telah dikurangi menggunakan nanopartikel bimetalik terutama menggunakan emas di inti nanopartikel bimetalik [35].

Escherichia coli

Dalam Gambar 9d, AuPixels tidak menunjukkan inhibisi yang signifikan (< 15%) atau mempengaruhi kinetika pertumbuhan E. coli. Untuk AgPixels (Gambar 9e) pada konsentrasi rendah, fase Lagaju tetap tidak berubah, tetapi terdapat penurunan yang signifikan dalam rasio pertumbuhan yang ditunjukkan oleh penurunan lereng. Pada 50 µg/mL fase Lagaju berlangsung hingga 16 jam dan kelayakan mencapai maksimum 20% pada 24 jam. Untuk 100 µg/mL, penglihatan terpisah dari fase pertumbuhan mikroorganisme tidak diamati. Dalam Au@AgPixels (Gambar 9f), dua konsentrasi pertama tidak menunjukkan perubahan pada fase pertumbuhan mereka, tetapi penundaan fase hingga 2 jam diamati dibandingkan kontrol. Menarik untuk dicatat bahwa fase lagaju berlangsung hingga 21 jam untuk konsentrasi 50 µg/mL, akhirnya tidak ada perilaku pertumbuhan yang eksplisit untuk konsentrasi 100 µg/mL.

Staphylococcus aureus

Analisis komparatif dari penumbuhan ulang fase lagaju yang terjadi setelah 12 jam untuk Au (Gambar 9g), Ag (Gambar 9h), dan Au@AgPixels (Gambar 9i) dalam kasus S. aureus pada 50 µg/mL. Untuk konsentrasi tertinggi pada 100 µg/mL, tidak ada pertumbuhan bakteri. Selain itu, kami mengamati perubahan dalam lereng terhadap kontrol untuk Au, Ag, dan Au@AgPixels pada 1 dan 10 µg/mL.

Interaksi AuPixels dengan bakteri gram-positif ini mungkin disebabkan oleh permukaan bermuatan yang menyebabkan interaksi elektrostatis, menstabilkan struktur membran. Hasil serupa, tetapi dengan konsentrasi nanopartikel yang lebih tinggi, dilaporkan untuk AuPixels yang disintesis menggunakan ekstrak buah Ananas comosus sebagai agen pengurang [98] dan protein alga biru-hijau Spirulina platensis [99]. Yang et al. menunjukkan MIC > 500 µg/mL untuk S. aureus (CMCC(B)26003), AuPixels kami telah menunjukkan inhibisi dengan konsentrasi 10 kali lebih rendah; dalam kasus ini, sinergi kritis ada dengan molekul polifenol pada pelapisan dan stabilisasi permukaan nanopartikel [100]. ROS dihasilkan dari intensitas rendah hingga tinggi [101] oleh AuPixels, polifenol (ekstrak tanaman), dan AgPixels, sehingga AuPixels dalam sinergi dengan resveratrol dan epigalokatekin galat (EGCG) mempromosikan respons antibakteri terhadap S. aureus [102] memiliki mekanisme yang paling layak dalam kasus ini. Penders et al. melaporkan 250 dan 500 µg/mL AuPixels seolah-olah agen antibakteri terhadap S. aureus meningkatkan waktu lagaju pertumbuhan bakteri dan efek antibakteri [61, 98, 99].

Kami percaya inhibisi disebabkan oleh akumulasi dan difusi AgPixels [103] pada bakteri terkait muatan permukaan nanopartikel yang mempromosikan interaksi elektrostatis [104] dengan membran bakteri yang mengarah pada penetrasi dan kerusakan yang lebih tinggi. Kami pikir ini adalah mekanisme serupa yang dijelaskan untuk interaksi antara biofilm E. coli dan AgPixels [105].

Untuk Au@AgPixels, hasil yang diperoleh dapat dibandingkan dengan yang dilaporkan oleh kelompok penelitian lain [100, 101]; namun, beberapa penulis menyarankan bahwa inhibisi pertumbuhan mikroorganisme secara langsung terkait dengan ketebalan kulit [100, 101]. Nanopartikel inti–kulit menunjukkan sitotoksik rendah ketika diuji pada sel fibroblas NIH-3T3 (sel mamalia normal) [35]. Proporsi perak yang lebih rendah dalam kulit Au@AgPixels menunjukkan hasil serupa dengan AgPixels [100], dan inti Au memotensikan efek antibakteri, dan meminimalkan sitotoksik.

Kurva Pertumbuhan Dianalisis dengan Model Gompertz yang Dimodifikasi

Untuk mengetahui bagaimana rasio pertumbuhan (µ) dan fase Lagaju (λ) dimodifikasi secara kuantitatif, kurva pertumbuhan mikroorganisme yang terpapar konsentrasi berbeda nanomaterial (Gambar 10) disesuaikan oleh model Gompertz (Eq. 2).

Dalam Gambar 10a, terlihat bahwa semua nanomaterial menghasilkan penurunan dalam laju replikasi populasi S. aureus ketika konsentrasi nanopartikel meningkat. Efek ini menghasilkan sensitivitas yang sedikit lebih tinggi untuk AuPixels. Pada konsentrasi 50 µg/mL, rasio pertumbuhan hanya 30% dibandingkan kontrol (File tambahan 1: Tabel S1-S24); pada konsentrasi 100 µg/mL, semua materi menghambat pertumbuhan populasi S. aureus. Perilaku fase adaptif untuk S. aureus dengan perawatan yang berbeda ditunjukkan dalam Gambar 10b. Terlihat bahwa tidak ada perbedaan yang signifikan dalam materi yang digunakan, dan pada 50 µg/mL, fase Lagaju telah meningkat hampir 5 kali dibandingkan fase adaptif S. aureus (File tambahan 1: Tabel S1-S24). Secara umum, kami dapat menetapkan bahwa berbagai nanomaterial yang dievaluasi dalam S. aureus mengurangi laju replikasi dan menunda fase adaptif secara dependen dosis hingga inhibisinya pada 100 µg/mL.

Gambar 10c jelas menunjukkan bahwa AuPixels tidak mempengaruhi rasio pertumbuhan µ bakteri E. coli. Sementara itu, AgPixels menghasilkan penurunan terhadap µ, mencapai nilai minimum yang sesuai dengan 19% dari kontrol (µ untuk E.coli tanpa perawatan) untuk 50 µg/mL (lihat File tambahan 1: Tabel S52). Sebaliknya, Au@AgPixels sepenuhnya menghambat pertumbuhan E. coli pada 100 µg/mL. Analisis perilaku fase Lagaju E. coli yang terpapar materi yang berbeda ditunjukkan dalam Gambar 10d. Dalam hal ini, berbeda dengan Gambar 10b, setiap materi memiliki respons yang khas. Dengan demikian, AuPixels tidak menghasilkan modifikasi apa pun pada fase adaptif E. coli, sementara AgPixels dan Au@AgPixels memiliki efek dependen dosis pada fase Lagaju, materi terakhir menonjol. Dengan demikian, kami dapat menetapkan bahwa AuPixels tidak memiliki efek yang dapat diperhatikan pada bakteri E. coli, dan Au@AgPixels dapat menghambat replikasi dan, oleh karena itu, menunda fase Lagaju E. coli secara tak terbatas. Menariknya, efek ini tidak dicapai untuk AgPixels meskipun kandungan perak bersih lebih tinggi dari Au@AgPixels. Ini menyiratkan bahwa presentasi inti@kulit kedua logam menghasilkan sinergi yang mendukung aktivitas antimikroba. Feng et. al. telah melaporkan fenomena kompensasi elektron dari Au ke Ag dalam struktur inti–kulit dan aloi, yang berasal dari peningkatan sitotoksik nanopartikel tetapi mempertahankan properti antibakterinya, yang berarti, sinergi antara Au dan Ag diyakini, karena perbedaan yang diamati antara materi monometalik dan bimetalik [106], tetapi lebih banyak penelitian diperlukan.

Gambar 11 menunjukkan hasil studi perhitungan langsung koloni mikroorganisme yang terpapar nanomaterial. Secara umum, perilaku populasi mikroorganisme mereproduksi hasil yang diperoleh dari studi kinetika pertumbuhan (Gambar 7a, e, i). Sebagai contoh, dalam Gambar 11a, populasi mikroorganisme (direpresentasikan secara logaritmik) menurun secara signifikan hanya pada 19 jam di mana AuPixels telah membunuh 92% C. albicans. Menariknya, untuk nanopartikel yang mengandung perak (Gambar 11b, c) penurunan populasi yang lebih terasa diamati. Sistem Au@AgPixels pada 50 µg/mL, hampir sepenuhnya menghambat S. aureus pada 7 jam (99,5% bakteri terbunuh) meskipun mikroorganisme meraktivasi pertumbuhannya untuk waktu yang kemudian. Penentuan MBC tidak dapat diperoleh untuk konsentersi yang diuji (File tambahan 1: Gambar S9-11), menurut observasi eksperimental konsentrasi yang lebih tinggi diperlukan untuk menunjukkan efek ini. Namun, untuk C. albicans, AgPixels menunjukkan nilai MBC 50 µg/mL (File tambahan 1: Tabel S55).

Kesimpulan

Untuk pertama kalinya, produksi nanopartikel emas dan inti@kulit (Au@Ag) dilaporkan menggunakan ekstrak akar Rumex hymenosepalus sebagai agen pengurang. Untuk memperoleh Au@AgPixels, metode sintesis berurutan dua langkah diusulkan yang menghasilkan partikel dengan polidispersi sedang dan kulit perak homogen. Penentuan kurva pertumbuhan dan parameternya yang diperoleh melalui model Gompertz menunjukkan efek berbeda dari nanomaterial pada mikroorganisme yang dievaluasi. Efek inhibitor AuPixels terhadap S. aureus tercapai pada konsentrasi 5 kali lebih rendah dari yang dilaporkan untuk AuPixels lain yang disintesis oleh proses yang berbeda. Ini mengungkapkan pentingnya proses sintesis yang diikuti dan lingkungan pada permukaan nanopartikel. Di sisi lain, AgPixels dan Au@AgPixels menghasilkan pertumbuhan fase lagaju yang besar (> 12 jam). Namun, bakteri dapat beradaptasi dan memulai pertumbuhan mereka pada konsentrasi sub-inhibitor ini dengan risiko konsekuensi dari pertumbuhan resistensi terhadap nanomaterial ini. Ini menyoroti pentingnya melakukan studi kinetika pertumbuhan yang mencakup periode yang sesuai untuk membuang pertumbuhan tertunda. Menariknya, analisis Gompertz menunjukkan bahwa Au@AgPixels menyajikan efek yang lebih tinggi pada kinetika pertumbuhan mikroorganisme daripada yang ditunjukkan oleh nanopartikel monometalik, yang dapat dikaitkan dengan efek sinergi kedua logam pada struktur inti@kulit. Efek bacterisidal hanya dicapai dalam C. albicans yang terpapar AgPixels. Lebih banyak eksperimen harus dilakukan pada rentang konsentrasi yang lebih tinggi dari nanomaterial ini (> 200 µg/mL) untuk menentukan MBC mereka pada mikroorganisme yang diteliti.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini termasuk dalam artikel ini dan file informasi tambahan.

Singkatan

AuPixels:: Nanopartikel emas
AgPixels:: Nanopartikel perak
Au@AgPixels:: Nanopartikel bimetalik emas–perak dengan struktur inti@kulit
DLS:: Pencaharan cahaya dinamis
EDS:: Spektroskopi X-ray dispersif energi
EGCG:: Epigalokatekin galat
FTIR:: Spektrometer transformasi Fourier inframerah
HAADF:: Gambar lapangan gelap sudut tinggi
MBC:: Konsentrasi bacterisidal minimal
MIC:: Konsentrasi inhibitor minimal
Rh:: Ekstrak akar Rumex hymenosepalus
TEM:: Mikroskopi transmisi elektron
STEM:: Mikroskop transmisi elektron pemindai
UV-Vis:: Spektroskopi ultraviolet–visible
XPS:: Spektroskopi fotoelektron X-ray
XRD:: Difraksi X-ray

Katalisis TiO₂ yang Ditingkatkan dan Efektivitas Antimikroba melalui Co-Doping Nitrogen dan Nitrid Karbon Mekanisme Deformasi Subsistem dalam Pemotongan Nano Arsenida Galium: Wawasan dari Simulasi Dinamika Molekuler

bahan nano