Bioinspiriertes Bi | Schwerkraftabscheider Group Co., Ltd

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13290 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Durch die grobe Nachahmung des Oberflächenarchitekturdesigns von Libellenflügeln wurden mithilfe der Elektrospinntechnik erfolgreich neuartige zweiphasige 3D-Nanoblumen aus MgO/Mg(OH)2 synthetisiert. Die 3D-Nanoblumen wurden auf einen handelsüblichen Melaminschwamm aufgetragen und umfassend durch SEM, XRD, FTIR und EDS charakterisiert. Die Bildung ausgeprägter dichter 3D-Nanoblütenblätter wurde durch REM-Aufnahmen aufgedeckt, wobei die mittlere Blütenblattdicke und der mittlere Abstand zwischen den benachbarten Blütenblättern 36 nm bzw. 121 nm betrugen. Die bakteriziden Aktivitäten von mit synthetisierten 3D-Nanoblumen beschichteten Melaminschwämmen wurden gegen fünf verschiedene Bakterien (Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae und Pseudomonas aeruginosa) bewertet. Diese Studie zeigte eine signifikante bakterizide Aktivität von mit MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen beschichtetem MS gegen grampositive und gramnegative Bakterien. Zu den plausiblen bakteriziden Mechanismen gehören die Verformung der Hülle, das Eindringen und die Induktion von oxidativem Stress. In dieser Studie werden neuartige bioinspirierte Biomaterialien vorgestellt, die das mit pathogenen bakteriellen Infektionen verbundene Risiko verringern können, insbesondere in medizinischen Geräten.

Antibakterielle Oberflächen sind für biomedizinische Anwendungen sehr gefragt, um Infektionen im Zusammenhang mit implantierten medizinischen Geräten zu reduzieren, die jährlich fast 5–10 Milliarden Dollar kosten1. Mehrere Nanopartikel wie Titanoxid, Zinkoxid und Silberoxid haben eine angemessene bakterizide Wirkung gegenüber einem breiten Spektrum von Bakterienstämmen gezeigt2,3. Allerdings haben die zytotoxischen Wirkungen, die mit der Anreicherung von Nanopartikeln auf der Basis von Schwermetallelementen im menschlichen Körper einhergehen, Anlass zu ernsthaften Bedenken hinsichtlich ihrer Verwendung als bakterizide Mittel gegeben4,5. Obwohl die Beschichtung biomedizinischer Geräte mit bioziden Wirkstoffen wie Silber und Antibiotika ein konventioneller biochemischer Ansatz ist; Gleichzeitig führt der übermäßige Einsatz von Antibiotika dazu, dass Bakterien arzneimittelresistent werden und chronische Infektionen entstehen6. Schätzungen zufolge entwickeln fast 10 % der Patienten, die sich einer medizinischen Implantation unterziehen, akute bakterielle Infektionen, die in den Vereinigten Staaten durchschnittlich 0,1 Millionen Todesfälle verursachen7. Sobald die Infektion an der Schnittstelle zwischen biomedizinischem Implantat und Gewebe auftritt, ist die Entfernung des medizinischen Geräts und/oder Implantats durch einen sekundären chirurgischen Eingriff unumgänglich. Dies verursacht nicht nur Unannehmlichkeiten für den Patienten, sondern erhöht auch die Gesundheitskosten8. Durch den übermäßigen Einsatz von Antibiotika und das immer häufiger auftretende Auftreten antibiotikaresistenter Bakterienstämme ist die Entwicklung neuartiger antibakterieller Strategien und bakterizider Wirkstoffe erforderlich geworden9.

Im letzten Jahrzehnt hat die nanoskalige Modifikation von Oberflächen neue Wege für die Schaffung technischer antibakterieller Topographien eröffnet10. Beispielsweise haben Rillen, Grate und wellenbasierte Strukturen ein enormes Potenzial zur Eindämmung der Biofilmbildung gezeigt, indem sie die Bakterienadhäsion reduzieren 10,11. Kürzlich hat die Entdeckung der bioziden Aktivität natürlich vorkommender Nanoarchitekturen mit hohem Aspektverhältnis, die auf der Oberfläche von Insektenflügeln wie Zikaden und Libellen erscheinen, die Forschung nach neuartigen antibakteriellen Nanomaterialtopographien ausgelöst12. Die physikalischen Wechselwirkungen zwischen den anhaftenden Krankheitserregern und nanoskaligen Topografien bestimmen die antimikrobielle Aktivität solcher Oberflächen13. Zu den natürlich vorkommenden Anti-Biofouling- und selbstreinigenden Oberflächen gehören neben Insektenflügeln auch Reisblätter14, Lotusblätter15, Geckohaut16 und Haifischhaut17,18. Inspiriert durch die bakterizide Nanoarchitektur natürlicher Materialien wurden erfolgreich Nanovorsprünge mit Titan19,20, Gold21, Diamant22, schwarzem Silizium23 und Poly(methylmethacrylat)24 entwickelt. Fast alle dieser künstlichen Nanoarchitekturen weisen eine hervorragende biozide Aktivität sowohl gegenüber grampositiven als auch gramnegativen Bakterien auf.

Legierungen auf Magnesiumbasis bleiben aufgrund ihrer biokompatiblen und ungiftigen Beschaffenheit das begehrteste Bioimplantatmaterial. Diese Materialien sind nicht nur von Natur aus ungiftig, sondern verfügen auch über wunderbare mechanische Eigenschaften, die mit denen menschlicher Knochen vergleichbar sind25. Die biokompatible und ungiftige Natur von Materialien auf Magnesiumbasis sowie ihre weit verbreitete Anwendung im biomedizinischen Bereich haben uns dazu ermutigt, Magnesium für die Konzeption neuartiger bakterizider Topographien zu wählen. In dieser Forschung wurden 3D-Nanoblumen aus zweiphasigem MgO/Mg(OH)2 erfolgreich synthetisiert, indem das Oberflächenarchitekturdesign von Libellenflügeln grob nachgeahmt wurde. Die 3D-Nanoblumen wurden durch Elektrospinning-Technik mit anschließender Kalzinierung und Dampfbehandlung synthetisiert. Zur umfassenden Charakterisierung der 3D-Nanoblumen wurden Analysetechniken wie XRD, SEM, FTIR und EDS eingesetzt. Unter der Annahme, dass die Oberflächentopographie von 3D-Nanoblumen eine ähnliche bakterizide Aktivität aufweisen würde wie die von Libellenflügeln, wurden die frisch zubereiteten Nanoblumen in einen kommerziellen Melaminschwamm (MS) eingearbeitet. MS wurde aufgrund seiner intrinsischen Eigenschaften wie niedrige Kosten, ungiftige Natur, hohe Porosität, hochpermeable Kanäle und 3D-Architektur, die eine große Oberfläche bietet, die für die Abscheidung von Nanomaterialien geeignet ist, als Trägermaterial gewählt. Die bakterizide Wirksamkeit von mit zweiphasigen MgO/Mg(OH)2-3D-Nanoblumen beschichtetem MS wurde gegen fünf verschiedene Bakterien untersucht, darunter sowohl grampositive als auch gramnegative Bakterien (Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae und Pseudomonas aeruginosa). ).

Magnesiumhydroxid (Reagenzqualität, 95 %) und Polyvinylalkohol (PVA) (87–90 % hydrolysiert, Molekulargewicht 30.000–70.000) wurden von Sigma-Aldrich bezogen, während Eisessig (analytische Qualität, 99,8 %), Polyacrylsäure ( PAA) (25 Gew.-% in Wasser) und Chitosan wurden von Scharlau, Alfa Aesar bzw. MP Biomedicals erworben. Der Melaminschwamm (MS) (Marke: Vesta) wurde von einem lokalen E-Commerce-Unternehmen bezogen. Alle Chemikalien wurden wie erhalten ohne weitere Reinigung verwendet.

0,25 g Mg(OH)2 wurden in 5 ml Eisessig bei 55 °C für 1 Stunde in einem Ultraschallbad (Marke: Elmasonic P, 37 kHz) gelöst. Eine wässrige PVA-Lösung (5 % Gew./Gew.) wurde durch Auflösen von PVA-Pulver in entionisiertem (DI) Wasser bei Raumtemperatur unter kontinuierlichem magnetischem Rühren für 12 Stunden bei 600 U/min hergestellt. Beide oben genannten Lösungen wurden in einem Verhältnis von 15:100 (v:v) gemischt und 20 Minuten lang bei 55 °C mit Ultraschall (37 kHz) behandelt, um eine klare Lösung zu erhalten. Diese Lösung wurde dann in eine 5-ml-Terumo®-Spritze gegeben, die mit einer Nadel der Größe 21G x 1/2 Zoll ausgestattet war. Das Elektrospinnen wurde mit einer Nadel-Kollektor-Top-Down-Konfiguration durchgeführt, wobei der Abstand zwischen Nadel und Kollektor bei 13 cm gehalten wurde. Die Lösungsdurchflussrate und die angelegte Gleichspannung wurden auf 0,3 ml h−1 bzw. 17 kV eingestellt. Die Nanofaserschichten wurden auf Al-Folie abgeschieden, die über den Kollektor verteilt war. Am Ende wurde die über Al-Folie gesammelte Probe 24 Stunden lang in einem Heißluftofen bei 110 °C getrocknet, um eine spröde Schicht zu erhalten. Die nach dem Kratzen dieser spröden Schicht gesammelten Flocken wurden in einem Muffelofen (Nabertherm, Deutschland) 1 Stunde lang bei 350 °C kalziniert. Die Heizrate des Ofens wurde auf 2 °C min-1 eingestellt. Nach der Kalzinierung ließ man die Proben auf natürliche Weise auf Raumtemperatur abkühlen und zermahlte sie dann mit Mörser und Pistill zu einem feinen Pulver. Abschließend wurde das feine Pulver 40 Minuten lang in einem Dampfofen (Toshiba) Dampf ausgesetzt. Nach dem Dämpfen wurde das Pulver gesammelt und 24 Stunden lang bei Raumtemperatur in einem Vakuumexsikkator getrocknet.

Das kommerzielle MS wurde mit Hilfe eines Kunstmessers in einen Quader (1 cm × 1 cm × 0,5 cm) geschnitten und 5 Minuten lang in frisch zubereiteter wässriger 0,1 Gew.-%iger PAA-Lösung (pH = 1, eingestellt mit 1 M HCl) eingeweicht . Das MS wurde mit einer Pinzette gründlich zusammengedrückt und dann für weitere 5 Minuten in einer wässrigen Chitosanlösung mit 0,5 Gew.-% (pH = 5, eingestellt mit 1 M HCl) eingeweicht, gefolgt von mehrmaligem aufeinanderfolgendem Zusammendrücken während des gesamten Prozesses. Durch diesen Prozess verbinden sich PAA und Chitosan durch elektrostatische Wechselwirkung26 und stellen aktive Stellen für die Ablagerung von Nanoblumen bereit. Das MS wurde mit entionisiertem Wasser gewaschen und schließlich 20 Minuten lang in wässrige Suspensionen von MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen mit 0,3 Gew.-% getaucht. Während dieses Vorgangs wurde MS mit einer Pinzette zusammengedrückt und nach 10 Minuten erneut in der wässrigen Suspension eingeweicht. Das so erhaltene mit 3D-Nanoblumen beschichtete MS wurde 6 Stunden lang in einem Heißluftofen bei 60 °C getrocknet.

Röntgenbeugungsdiffraktogramme (XRD) von zweiphasigem MgO/Mg(OH)2 wurden mit dem Röntgendiffraktometer Bruker D8 Advance aufgenommen, das mit einem LYNXEYE-Detektor ausgestattet ist. Der Röntgengenerator arbeitete mit 40 kV und 25 mA. Die Diffraktogramme wurden in Winkeln (2θ) zwischen 10° und 70° mit einer Schrittweite von 0,03° (2θ) unter Verwendung von Cu-Kα-Strahlung (λ = 1,5406 Å) aufgenommen. Die Kristallitgröße (d) von MgO/Mg(OH)2-Nanopartikeln wurde anhand der Debye-Scherrer-Formel (Gleichung 1) bewertet.

Dabei stellt 0,9 den Molekülformfaktor dar, λ ist die Wellenlänge der Cu-Kα-Strahlung (1,5406 Å), β ist die Halbwertsbreite (Bogenmaß) und θ ist der Bragg-Beugungswinkel (Bogenmaß), der dem intensivsten Peak entspricht.

Die Oberflächenmorphologien der Proben wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) (JEOL JSM-7600 F) untersucht. Die Probenabbildung wurde durch Sputterbeschichtung mit Au verbessert. Die Sputterbeschichtung reichert das für die topografische Untersuchung erforderliche Sekundärelektronensignal an, indem sie die Probenaufladung während der REM-Analyse verhindert. Zur Analyse der REM-Bilder wurde die Software ImageJ (Version 1.53t) des National Institute of Health, USA, verwendet. Die Elementbildgebung des beschichteten Melaminschwamms wurde durch energiedispersive Spektroskopie (EDS) (X-MaxN-50, Oxford Instruments) durchgeführt, die in das REM eingebettet war. Zur Bestimmung der chemischen Struktur der Proben wurde Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde das Agilent Cary 630 FTIR-Spektrometer verwendet, um FTIR-Spektren mit einer Auflösung von 1 cm−1 zwischen den Wellenlängen 650–4000 cm−1 mit jeweils 32 Scans zu sammeln.

Fünf verschiedene Bakterienstämme (S. aureus, E. faecalis, E. coli, K. pneumoniae und P. aeruginosa) wurden verwendet, um die bakterizide Wirkung von mit 3D-Nanoblumen beschichtetem MS zu ermitteln. Jedes Bakterium wurde auf Trypticase-Soja-Agar (TSA) mit 5 % Schafblutplatte subkultiviert und 18–24 Stunden lang inkubiert, bevor mit der antibakteriellen Studie begonnen wurde. Für jeden Organismus wurde unter Verwendung einer sterilen Kochsalzlösung eine 0,5 McFarland-Bakteriensuspension hergestellt. Jeder MS mit einem Gewicht zwischen 0,021 und 0,032 g wurde vollständig in definierte Volumina zwischen 1,68 und 2,56 ml (0,0125 g MS pro ml) Bakteriensuspension mit einer Konzentration von 104–105 KBE ml−1 eingetaucht und insgesamt 24 Stunden lang inkubiert. Von jeder Bakteriensuspension wurde zu Beginn (t = 0) und in definierten Inkubationsintervallen (t = 2, 4, 8 und 24 Stunden) ein Probenvolumen von 10 μl gesammelt und in Duplikaten auf Kulturplatten ausplattiert, die dann inkubiert wurden 18–24 Stunden vor der Zählung. Die gesamte Inkubation wurde bei 35 °C unter aeroben Bedingungen durchgeführt. Das Vorhandensein von Bakterienwachstum auf den Kulturplatten wurde gezählt und die durchschnittliche koloniebildende Einheit (KBE) der beiden Platten wurde für jedes Bakterium berechnet. Neben jeder entsprechenden Testsuspension wurde eine Kontrollsuspension (nur Bakterien ohne MS) aufgestellt und in den oben genannten Zeitintervallen Proben entnommen. Eine weitere Kontrolllösung (sterile Kochsalzlösung mit MS) wurde ebenfalls hergestellt und bei t = 0 und t = 24 Stunden zur Kontrolle der Sterilität während der gesamten Studie entnommen.

Abbildung 1a zeigt das Pulver-XRD-Spektrum von zweiphasigem MgO/Mg(OH)2, das mithilfe einer Elektrospinning-Technik und anschließenden Kalzinierungs- und Dampfprozessen hergestellt wurde. Die Peaks bei den 2θ-Werten 18,5°, 33,0°, 37,9°, 50,7°, 58,6° und 68,1° entsprechen den Gitterebenen (001), (100), (101), (102), (110) und (103). Mg(OH)2 (ICDD 00-044-1482), während sich die beiden Peaks bei den 2θ-Werten 42,9° und 62,3° auf (200)- bzw. (220)-Gitterebenen von MgO (ICDD 00-045-0946) beziehen. Das Vorhandensein von Beugungspeaks, die sowohl MgO als auch Mg(OH)2 entsprechen, bestätigt explizit die Bildung von zweiphasigem MgO/Mg(OH)2. Die aus dem intensivsten Peak (37,9°) berechnete Kristallitgröße betrug 8,8 nm. Darüber hinaus war die hohe Kristallinität des synthetisierten Nanomaterials durch das Vorhandensein intensiver XRD-Peaks erkennbar.

(a) Pulver-XRD-Spektrum von zweiphasigem MgO/Mg(OH)2; (b) FTIR-Spektren von unbeschichtetem Melaminschwamm, MgO/Mg(OH)2 und MgO/Mg(OH)2 beschichtetem Melaminschwamm.

Die FTIR-Spektren von MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen, unbeschichtetem MS und mit MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen beschichtetem MS sind in Abb. 1b dargestellt. Das Spektrum von zweiphasigem MgO/Mg(OH)2 zeigt einen scharfen intensiven Peak bei 3697 cm−1 und eine deutliche Bande bei 1411 cm−1. Diese wurden den Streckschwingungen (3697 cm−1) und Biegeschwingungen (1411 cm−1) der Oberflächenhydroxylgruppe zugeschrieben27. In den FTIR-Spektren von mit MgO/Mg(OH)2 beschichtetem und unbeschichtetem MS beziehen sich die Peaks bei 3312, 1559, 1460, 1313, 1145, 1013, 806 cm-1 auf die N-H-Streckung, C=N-Streckung, – CH2-Biege-, C-O-Streckschwingungen, C-H-Biege- bzw. Triazinring-Biegeschwingungen. Das Vorhandensein eines scharfen O-H-Streckschwingungspeaks bei 3697 cm-1 im FTIR-Spektrum des mit MgO/Mg(OH)2-3D-Nanoblumen beschichteten MS bestätigt die erfolgreiche Anbindung von MgO/Mg(OH)2 an das MS.

Die Morphologien von MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen, unbeschichtetem MS und mit MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen beschichtetem MS sind in REM-Bildern dargestellt (Abb. 2). Die unbeschichteten MS weisen eine stark inerratische 3D-Netzstruktur mit einer Porengröße zwischen 100 und 200 µm auf (Abb. 2B“ und C“). Die Ablagerung von MgO/Mg(OH)2 (durch Pfeile markiert) auf dem MS-Gerüst ist in REM-Bildern sichtbar (Abb. 2A,B,C,D). Nach der Beschichtung mit 3D-Nanoblumen aus MgO/Mg(OH)2 wurde die glatte MS-Oberfläche rau, während die intrinsische 3D-Netzstruktur von MS nahezu intakt blieb. Anschließend änderte sich die Farbe von MS von reinweiß zu hellbraun. Das vergrößerte SEM-Bild (Abb. 2E) von mit MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen beschichtetem MS zeigte die Bildung deutlicher dichter Nanoblütenblätter. Bei der Analyse mit Bildanalysesoftware (ImageJ) wurde festgestellt, dass die mittlere Blütenblattdicke und der mittlere Abstand zwischen benachbarten Blütenblättern von 3D-Nanoblumen 36 nm bzw. 121 nm betrugen. Beide Parameter wurden anhand einer Stichprobengröße von 50 bestimmt. Aus den Histogrammdiagrammen (Abb. 3) geht hervor, dass der benachbarte Abstand zwischen den meisten 3D-Nanoblumenblütenblättern zwischen 90 und 130 nm liegt, während die Dicke der Blütenblätter zwischen 25 und 25 nm variiert 45 nm. Abbildung 4 zeigt die EDS-Kartierung der Querschnittsansicht von MgO/Mg(OH)2-beschichtetem MS. Die Hauptelemente vis. Mg, C und O waren gleichmäßig über das gesamte Untersuchungsgebiet verteilt. Dieser Beweis bestätigt, dass die 3D-Nanoblumen aus MgO/Mg(OH)2 tief im Inneren der unberechenbaren 3D-Netzstruktur des MS eingebaut waren. Tatsächlich sorgt die gleichmäßige hellbraune Farbe der mit MgO/Mg(OH)2 beschichteten MS für eine homogene Verteilung der MgO/Mg(OH)2-Nanoblumen im gesamten 3D-Netzwerk der MS.

REM-Bilder von unbeschichtetem Melaminschwamm (B“, C“), MgO/Mg(OH)2-beschichtetem Melaminschwamm (A, B, C, D) in verschiedenen Vergrößerungen und MgO/Mg(OH)2-3D-Nanoblumen mit deutlichen Blütenblättern ( E).

Histogrammdiagramme des Abstands zwischen benachbarten Blütenblättern und der Blütenblattdicke.

SEM-Bild (A) und EDS-Kartierung der Querschnittsansicht eines mit MgO/Mg(OH)2 beschichteten Melaminschwamms, die die Verteilung von Magnesium (B), Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (D) zeigt.

Die bakterizide Wirksamkeit von mit MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen beschichtetem MS wurde über einen Zeitraum von 24 Stunden gegen fünf verschiedene Bakterien bestimmt, darunter zwei grampositive (S. aureus und E. faecalis) und drei gramnegative (E. coli). , K. pneumoniae und P. aeruginosa) Bakterien. Abbildung 5 zeigt die zeitliche Variation der cfu und Log(Anzahl) von S. aureus, E. faecalis, E. coli, K. pneumoniae und P. aeruginosa bei Exposition gegenüber mit MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen beschichtetem MS. In dieser Untersuchung waren die ausgewählten grampositiven und gramnegativen Bakterien kugelförmig bzw. stäbchenförmig. Die anfängliche 2-stündige bakterizide Rate von mit 3D-Nanoblumen beschichteten MS folgt der Reihenfolge: P. aeruginosa > K. pneumoniae > S. aureus > E. faecalis (Abb. 5). Aus diesem Trend geht hervor, dass die anfängliche bakterizide Aktivität bei stäbchenförmigen Bakterien im Allgemeinen höher war als bei kugelförmigen Bakterien. Dies wurde auf die größere Oberfläche stäbchenförmiger (Gram-negativer) Bakterien in direktem Kontakt mit Nanoblütenblättern zurückgeführt als bei kugelförmigen (Gram-positiven) Bakterien. Darüber hinaus ermöglichen die dicken und starren Zellwände grampositiver (kugelförmiger) Bakterien, dass sie großen mechanischen Verformungen standhalten, im Vergleich zu gramnegativen Bakterien (stäbchenförmig), die normalerweise dünne und zerbrechliche Zellwände aufweisen28. Aufgrund dieser Tatsache zeigt die Nanosäulenstruktur der Zikadenflügel von Psaltoda claripennis auch eine bakterizide Wirkung nur gegen gramnegative Bakterienstämme29.

Zeitliche Variation der KBE-Anzahl und Log(Anzahl) von Staphylococcus aureus (A/A'), Enterococcus faecalis (B/B'), Escherichia coli (C/C'), Klebsiella pneumoniae (D/D') und Pseudomonas aeruginosa ( E/E') mit und ohne MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen beschichteter Melaminschwamm. Die Fehlerbalken betragen 1 SD vom Mittelwert der Dreifachmessungen.

Abbildung S1 zeigt das Freisetzungsprofil von Mg aus mit MgO/Mg(OH)2 beschichtetem Melaminschwamm bei 35 °C. Da über einen Zeitraum von 24 Stunden nur ein verschwindend geringer Anteil an Mg freigesetzt wurde, ist es offensichtlich, dass die bakterizide Aktivität nicht mit der Freisetzung von Mg aus dem mit MgO/Mg(OH)2 beschichteten Schwamm verbunden war. Eine plausible schematische Darstellung der bakteriziden Mechanismen von 3D-Nanoblütenblättern aus MgO/Mg(OH)2-beschichtetem Melaminschwamm ist in Abb. 6 dargestellt. Da der mittlere Abstand (121 nm) zwischen den benachbarten Blütenblättern von MgO/Mg(OH)2 beträgt 3D-Nanoblumen sind viel kleiner als die Mindestgröße (250 nm) der Bakterien; Es ist ziemlich offensichtlich, dass sich Bakterien problemlos über der Anordnung der Nanoblütenblätter ausruhen könnten, ohne in die Schlucht dazwischen zu fallen. Wenn man bedenkt, dass die Blütenblätter wesentlich dünner sind (36 nm); Es wird erwartet, dass die Bakterienhülle durch die Nagelwirkung starrer Nanoblütenblätter (Mechanismus I und II)30 eher deformiert und durchdrungen wird, wenn die Bakterien durch Adhäsions- und/oder Schwerkraftkräfte an die Oberfläche gezogen werden. Durch Nanovorsprünge induzierte Penetration und Verformung der Bakterienhülle wurden durch bakterielle Querschnittsanalysen unter Verwendung von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), fokussierter Ionenstrahlmikroskopie (FIB) und Tomographie gut nachgewiesen31. Starke experimentelle Beweise deuten darauf hin, dass gramnegative Bakterien anfälliger für eine Verformung und Penetration der Bakterienhülle sind als grampositive Bakterien31. Die verringerte Anfälligkeit grampositiver Bakterien für die Verformung von Nanovorsprüngen ist hauptsächlich auf dicke Peptidoglycanschichten zurückzuführen, die für eine hohe Steifigkeit und einen hohen Turgordruck sorgen29. Insbesondere gibt es in der Literatur keine experimentellen Beweise, die einen durch Nanovorsprünge verursachten mechanischen Bruch oder eine Lyse von Bakterienzellen befürworten könnten. Laut kontaktmechanischer Analyse (Hertzsches Modell) nimmt der Eigendruck auf einen einzelnen Nanovorsprung in Kontakt mit einem Bakterium mit abnehmendem Spitzendurchmesser zu. Wenn beispielsweise der Durchmesser der Nanovorsprungsspitze von 80 nm (stumpf) auf 40 nm (scharf) abnimmt, steigt der entsprechende Eigendruck von 3,7 auf ~ 7,1 MPa32. Echtzeitbildgebung des mechanisch induzierten Bakterientodes durch gleichzeitige Nanoindentation und Fluoreszenzmikroskopie bestätigt, dass ein Druck von mehr als 10,7 MPa unerlässlich ist, um die Zellwand von E. coli zu durchstechen33. Da in unserem Fall die mittlere Dicke des Blütenblatts 36 nm betrug, war der Eigendruck, der von den Nano-Blütenblättern in Kontakt mit dem Bakterium erzeugt wurde, viel geringer als der Mindestdruck, der zum Durchstechen der Bakterienzellwand erforderlich war. Obwohl der von einer einzelnen Nanoprotrusionsspitze mit einem Durchmesser von 40 nm erzeugte Druck nicht ausreicht, um die Bakterienhülle mechanisch aufzubrechen; Die Erhöhung der Nanoprotrusionsdichte erhöht jedoch die Permeabilität der Bakterienzellmembran aufgrund der starken Dehnung der suspendierten Hülle. Diese Tatsache wurde an anderer Stelle experimentell durch Vergleich der LIVE/DEAD- und BacTiter Glo-Assay-Daten von grampositiven und gramnegativen Bakterien auf Oberflächen mit breiten und dichten Nanosäulen bestätigt32. Daher ist ein optimaler Abstand zwischen benachbarten Nanoblütenblättern äußerst wünschenswert, um eine ausreichende bakterizide Aktivität zu erreichen. Beispielsweise verbessert ein geringer Abstand der Zwischenräume (~ 100 nm) die bakterizide Wirksamkeit von Silizium-Nanostrukturen drastisch34. Eine auf der Finite-Elemente-Methode basierende Computeranalyse legt nahe, dass kleinere Säulenradien und -abstände die Hüllkurvenverformung um die Spitzen von Nanovorsprüngen verstärken und zu erheblichen Spannungen in der Ebene führen.35 Simulationsstudien bekräftigen auch die Tatsache, dass verringerte Zwischenabstände die bakterizide Aktivität von Nanovorsprungsoberflächen verstärken35. In unserer Forschung wurde festgestellt, dass der mittlere Abstand von 121 nm zwischen den benachbarten Blütenblättern von MgO/Mg(OH)2-3D-Nanoblumen ausreichend ist, um eine erhebliche bakterizide Aktivität zu zeigen.

Schematische Darstellung des bakteriziden Mechanismus eines mit MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen beschichteten Melaminschwamms.

Sicherlich fördern dichte und scharfe Nanovorsprünge die Verformung, Penetration und Membranpermeabilität der Bakterienzellhülle. Bakterienzellen, die tödlichen Stressfaktoren ausgesetzt sind, werden durch oxidativen Stress induziert, der die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) auslöst36. Obwohl mehrere schützende Enzyme wie Katalasen, Dismutase usw. niedrige ROS-Spiegel entgiften könnten, wird der Bakterientod unvermeidlich und irreversibel, wenn der ROS-Spiegel einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, selbst nachdem der ursprüngliche Stressor abgelöst wurde.37 ROS-vermittelte Bakterienzelle Tod ist für Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) gut dokumentiert38. Es ist bekannt, dass CNTs sowohl bei grampositiven als auch bei gramnegativen Bakterien oxidativen Stress verursachen, indem sie sie mechanisch umhüllen. Dies fördert die Produktion von ROS, was zu einer bakteriziden Aktivität führt. Überzeugende experimentelle Beweise, die den induzierten oxidativen Stress in Bakterienzellen bei Kontakt mit TiO2-Nanosäulen begünstigen, bestätigen auch die Rolle von ROS bei der Vermittlung einer verringerten Lebensfähigkeit der Zellen31.

Die durch Elektrospinnen synthetisierten 3D-Nanoblumen aus zweiphasigem MgO/Mg(OH)2 wurden erfolgreich in kommerzielle MS integriert. Nach der Beschichtung blieb die intrinsische 3D-Netzstruktur von MS nahezu intakt. Der benachbarte Abstand zwischen den meisten 3D-Nanoblumenblütenblättern lag zwischen 90 und 130 nm, während die Dicke der Blütenblätter zwischen 25 und 45 nm variierte. Die EDS-Kartierung der Querschnittsansicht von MgO/Mg(OH)2-beschichtetem MS bestätigte den Einbau von 3D-Nanoblumen aus MgO/Mg(OH)2 tief im Inneren der unberechenbaren 3D-Netzstruktur von MS. Diese Studie zeigte eine signifikante bakterizide Aktivität von mit MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen beschichtetem MS sowohl gegen grampositive als auch gramnegative Bakterien. Es wird erwartet, dass die neuartige bioinspirierte zweiphasige MgO/Mg(OH)2 3D-Nanoblumen-beschichtete MS eingesetzt werden könnte, um das mit pathogenen bakteriellen Infektionen verbundene Risiko im medizinischen Bereich zu verringern.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Dieses Material basiert auf der Forschungs-/Arbeitsunterstützung des Changi General Hospital und der Singapore University of Technology and Design, im Rahmen des HealthTech Innovation Fund (HTIF Award No. CGH-SUTD-2020-001) und der Agency for Science, Technology und Forschung (A*STAR) (Singapur), im Rahmen des AME Individual Research Grant (A20E7c0108).

Entropic Interface Group, Engineering Product Development, Singapore University of Technology and Design, 8 Somapah Road, Singapur, 487372, Singapur

Ashutosh Agarwal, Hasanthi L. Senevirathna, Franklin Anariba und Ping Wu

Abteilung für klinische Studien und Forschung, Changi General Hospital, 2 Simei Street 3, Singapur, 529889, Singapur

Seok Hwee Koo

Abteilung für Labormedizin, Changi General Hospital, 2 Simei Street 3, Singapur, 529889, Singapur

Crystal Shie Lyeen Wong

Abteilung für Urologie, Changi General Hospital, 2 Simei Street 3, Singapur, 529889, Singapur

Terence Sey Kiat Lim & Foo Cheong Ng

Anariba Brands Group, Wissenschaft, Mathematik und Technologie, verbunden mit technischer Produktentwicklung, Singapore University of Technology and Design, 8 Somapah Road, Singapur, 487372, Singapur

Franklin Anariba

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Verfassen des Originalentwurfs, Überprüfung/Bearbeitung, Synthese, Charakterisierung und Analyse eines beschichteten Melaminschwamms: AA; Charakterisierung biphasischer Nanopartikel: HLS; Bakterizide Studien und Analysen: SHK; Bakterizide Studien, Analyse, Überprüfungsentwurf: CSLW; Bakterizide Studien, Analyse: TSKL; Konzeption, Analyse, Einwerbung von Forschungsmitteln: FCN; Analyse, Begutachtungsentwurf, Einwerbung von Forschungsmitteln: FA; Konzeption, Analyse, Einwerbung von Forschungsmitteln und Betreuung: PW

Korrespondenz mit Ping Wu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Agarwal, A., Senevirathna, HL, Koo, SH et al. Bioinspirierte zweiphasige 3D-Nanoblumen aus MgO/Mg(OH)2-beschichtetem Melaminschwamm als neuartiger bakterizider Wirkstoff. Sci Rep 13, 13290 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40336-w

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Eingegangen: 06. März 2023

Angenommen: 09. August 2023

Veröffentlicht: 16. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40336-w

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