文摘
纳米金属氧化物正在成为一种新的重要的材料在医学、农业和工业应用。在这种情况下,免费的氧化锌(氧化锌)纳米颗粒(NPs)越来越广泛的抗菌活动。然而,生物固定化氧化锌NPs nanofibrous膜等矩阵的性质仍然是有限的。在这项研究中,原位合成氧化锌NPs /聚乙烯醇(PVA)膜nanofibrous捏造了电纺的醋酸锌浓度不同。表征结果表明,5毫米醋酸锌,统一尺寸氧化锌NPs (~ 40 nm)和均匀分布在膜表面形成的。较高的表面变得更疏水乙酸锌的浓度。氧化锌NPs / PVA膜nanofibrous显示广泛的抗菌活动和对四种微生物包括革兰氏阳性细胞粘附抑制效应金黄色葡萄球菌,革兰氏阴性大肠杆菌、真菌白色念珠菌和孢子黑曲霉。我们的数据显示,主要的抗菌机制可以归因于细胞膜损伤和细胞内化的氧化锌NPs,而疏水表面膜的主要导致了细胞粘附抑制。这项研究表明,氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜可以作为一种有效的抗菌剂来维持农业和食品安全。
1。介绍
金属氧化物纳米粒子吸引了大量关注近年来由于其独特的物理化学和生物特性。有几个纳米金属氧化物,已报告是有效的抗菌药物包括石墨烯氧化物(去),TiO2哞,3首席执行官2和氧化锌1- - - - - -5]。其中,氧化锌通常被认为是安全的(氧化锌)是由美国食品和药物管理局(cfr182.8991 21日)(6],它已广泛应用于日常生活如药物输送、化妆品、医疗器械、食品工业(7- - - - - -9]。纳米技术的发展,使得氧化锌纳米颗粒(氧化锌NPs)越来越有吸引力的小说由于其显著改善的物理、化学和生物性质。氧化锌NPs也被用于各种应用,如半导体、生物传感器、纺织、绘画、和工业涂料(10- - - - - -13]。特别是氧化锌NPs表现出显著的抗菌性和开发潜在的抗菌剂在食品行业14]。多项研究表明,氧化锌NPs有广谱抗菌活动对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌,包括主要食源性病原体大肠杆菌O157: H7,鼠伤寒沙门氏菌,单核细胞增多性李斯特氏菌,金黄色葡萄球菌,空肠弯曲杆菌(15- - - - - -18]。
此外,半成品氧化锌NPs与不同聚合物固定化(例如,聚乙烯醇(PVA)和聚已酸内酯(PCL))通过电纺的制造混合nanofibrous膜(19,20.]。有趣的是,这些纳米复合材料显示协同/增强抗菌效率。然而,氧化锌NPs /聚合物混合纳米纤维直接从氧化锌NPs-containing实际上电纺聚合物(例如,PVA)水溶液。因此,预设氧化锌NPs大多是封装在纤维内部,可能限制了氧化锌NPs和微生物细胞之间的相互作用。为了克服这个缺点,原位制备氧化锌NPs / PVA膜nanofibrous了通过电纺的氧化锌前体(醋酸锌)包含PVA溶液(21]。的原位合成氧化锌NPs大多居住在PVA纳米纤维表面,这是进一步观察到增强的光学质量(22]。然而,生物属性抗菌素和anti-cell粘附活动现场装配式氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜,我们所知,迄今为止还没有被报道。
在这个工作中,原位合成氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜是由电纺的醋酸锌浓度不同。纳米复合材料的性能特点,然后他们的抗菌活性和细胞粘附抑制效果研究基于四种不同的微生物,即革兰氏阳性金黄色葡萄球菌,革兰氏阴性大肠杆菌、真菌白色念珠菌和孢子黑曲霉。
2。材料和方法
2.1。材料
醋酸锌二水合物和聚乙烯醇(PVA, MW = 80000)的聚合度是购自国药控股集团化学试剂有限公司(上海,中国)。本研究中使用的菌株革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌写明ATCC 6538,革兰氏阴性细菌大肠杆菌写明ATCC 8739、真菌白色念珠菌写明ATCC 10231,黑曲霉l - 3。
2.2。原位制备氧化锌NPs / PVA Nanofibrous由电纺膜
PVA (8%, w / v)是第一次完全溶解在微孔水80°C。然后,不同数量的醋酸锌(0.1、1、5、10毫米)被添加到8% PVA溶液,紧随其后的是温和搅拌6小时。之后,产生的独特和粘性凝胶保持在室温下过夜。制造ZnO-PVA nanofibrous膜、醋酸锌/ PVA混合被转移到20毫升注射器配有金属针(0.6毫米ID),连接到一个高压电源(GDW-A,北京高压电气和机械技术研究所,北京,中国)。电纺的流量和电压设定在0.8毫升/ L和15千伏,分别收集器和提示针之间的距离是10厘米。收集到的膜在125°C加热10 h PVA表面形成氧化锌纳米颗粒(21,22]。所得氧化锌NPs / PVA膜nanofibrous 0.1, 1、5和10毫米醋酸锌是名叫ZnO-1 ZnO-2, ZnO-3和ZnO-4分别。
2.3。对氧化锌NPs / PVA Nanofibrous膜
氧化锌的形貌和直径NPs / PVA nanofibrous膜由扫描电子显微镜(SEM)分析了(XL-30E;飞利浦,日本东京)。形态和公称尺寸的原位合成氧化锌NPs在nanofibrous膜与透射电子显微镜(TEM)观察(jem - 2010;JEOL,日本东京)。氧化锌NPs的晶体结构是由x射线衍射(XRD) (Focus-D8;力量,德国)2θ范围从10°- 70°的速度2°min−1。水接触角(WCA)测量进行了描述氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜的亲水性。液滴的画面(30μL)膜上的可视化通过图像分析仪(OCA20;Dataphysics、德国)和水滴之间的角度和表面的测量。
2.4。抑制细菌细胞生长
细菌金黄色葡萄球菌和大肠杆菌被用来研究ZnO-1的抗菌活性,ZnO-2 ZnO-3, ZnO-4。一夜之间的文化金黄色葡萄球菌和大肠杆菌被接种到50毫升新鲜Luria-Bertani(磅)中(pH值7.0)与初始光密度(OD吗600年0.04到-0.06)。与此同时,同样数量(1厘米2纤维)的消毒ZnO-1, ZnO-2 ZnO-3,分别和ZnO-4添加到文化。之后,进行了种植在37°C和200 rpm瓶12 h。细胞生长受到OD的监控600年测量每2 h。
2.5。抗菌活性
广谱抗菌活性氧化锌NPs / PVA膜nanofibrous进一步测试金黄色葡萄球菌,大肠杆菌,白念珠菌,答:尼日尔(孢子)。金黄色葡萄球菌和大肠杆菌第一次被孵化37°C 12 h在LB培养基,白念珠菌培养在30°C 24 h Sabouraud介质(pH值6.0)。之后,每个文化离心机在3000 rpm和颗粒与消毒0.9%氯化钠溶液洗两次。然后,细胞resuspended 0.9%氯化钠达到最终的浓度大约107CFU /毫升。答:尼日尔最初种植的potato-dextrose-agar板7天30°C。然后,孢子的答:尼日尔直接用大约10 0.9%氯化钠溶液和调整吗7CFU /毫升。
每个细胞悬液,同样数量(1厘米2纤维)的消毒ZnO-3添加,紧随其后的是12 h在200 rpm在适当的温度下培养。PVA膜是用来代替ZnO-3消极的控制。之后,细胞悬液琼脂板上镀了,允许殖民地形成和抗菌效率计算。
2.6。细胞粘附抑制
检测细胞粘附的抑制效应氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜,每个细胞悬液制备如上所述抗菌活性。相同数量的ZnO-3加入5毫升细胞悬液,其次是3 h种植200 rpm和37°C (金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)或30°C (白念珠菌和答:尼日尔)。后来,ZnO-3膜取出,冲洗消毒0.9%氯化钠的两倍。然后,洗膜浸泡在5毫升新鲜0.9%氯化钠溶液,紧随其后的是30年代剧烈震动分离膜的附着细胞到解决方案。由此产生的细胞悬液琼脂板上镀了,允许殖民地形成和评价细胞粘附的抑制。PVA膜是用来代替ZnO-3消极的控制。
3所示。结果与讨论
3.1。对氧化锌NPs / PVA Nanofibrous膜
氧化锌NPs / PVA nanofibrous捏造了电纺膜与不同醋酸锌浓度和表面形态进行了分析通过SEM(图1)。在低浓度的乙酸锌(0.1和1毫米),没有明显的氧化锌NPs在膜表面可以观察到。用5毫米醋酸锌,统一尺寸氧化锌NPs形成和表面均匀分布(图1 (c))。最高浓度的醋酸锌(10毫米)导致大sphere-like氧化锌NPs不均匀分布在膜(图1 (d))。此外,最高的醋酸锌引起的非均匀纳米纤维的形成有不同的直径。这可能是由于这一事实更多的盐(乙酸锌)减少PVA溶液的粘度,这是不够足以产生均匀的纤维结构在电纺的过程(23]。
(一)
(b)
(c)
(d)
的代表TEM图像样本与5毫米醋酸锌(ZnO-3)如图2(一个)。结果表明,原位合成氧化锌NPs是水晶PVA纤维表面平均直径约40海里。的晶体结构ZnO-3进一步通过XRD分析2θ范围从10°- 70°(图2 (b))。观察到广泛的峰值在20°归因于结晶PVA的飞机,和峰2θ值为31.9°,34.5°,36.4°,47.6°,56.7°,和62.9°对应的晶面(100),(002),(101),(102),(110)和(103)。这些衍射峰的位置可以被分配给一个纯六角氧化锌纤锌矿结构(24]。我们的研究结果表明,纳米晶体氧化锌NPs在复合nanofibrous合成膜,这是与之前的报道相一致21,22]。
(一)
(b)
表面的WCA测量分析膜表面的亲水性的变化。如图3,显著增加WCA观察36°- 107°,证明膜表面更加疏水性高乙酸锌。这是归因于增加粗糙度的氧化锌NPs / PVA膜表面,水滴形成更稳定的water-air-solid比光滑表面接触线(25]。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.2。影响氧化锌NPs / PVA Nanofibrous膜细菌细胞生长的抑制作用
测试的抑制效应氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜对细菌细胞增长,我们选择革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌作为目标细菌。两个细胞培养与氧化锌NPs / PVA膜12 h和细胞生长曲线如图4。在金黄色葡萄球菌组(图4(一)),降低氧化锌NPs (ZnO-1和ZnO-2)膜对细胞生长没有明显的抑制作用,而细胞生长明显抑制了ZnO-3后只有2 h。与文化、ZnO-4细胞几乎停止增长8 h可能由于高ZnO-4对细胞的毒性。一个类似的抑制对细胞生长的影响也在大肠杆菌组(图4 (b)),尽管ZnO-2显示更多的抑制大肠杆菌比金黄色葡萄球菌。为了研究氧化锌的广谱抗菌活动NPs / PVA nanofibrous膜,因此ZnO-3后用于我们的实验,因为它显示显著抑制对细胞生长的影响,为未来的应用程序可能具有低毒性的风险。
(一)
(b)
3.3。广谱抗菌活性氧化锌NPs / PVA Nanofibrous膜
的抗菌疗效ZnO-3进一步测试四个代表性的微生物,细菌金黄色葡萄球菌和大肠杆菌以及真菌白念珠菌和答:尼日尔。图5表明ZnO-3最高的抗菌效果金黄色葡萄球菌(抑制率100%),其次是白念珠菌(~ 90%)大肠杆菌(~ 70%)。抗菌效率上答:尼日尔还不到50%,这可能是由于一个事实,即孢子有独特的抗恶劣环境。很明显,我们的研究结果表明,氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜(这里ZnO-3为例)有广泛的抗菌活动,效果是更重要的革兰氏阳性微生物(金黄色葡萄球菌和白念珠菌在革兰氏阴性)大肠杆菌和真菌答:尼日尔。我们的数据也支持先前的报道,氧化锌NPs表现出广谱抗菌活性,对革兰氏阳性微生物抑制作用比革兰氏阴性的(16,26]。
通常情况下,提出了三个主要的作用机制来解释氧化锌NPs的抗菌活性。首先,免费的锌2 +离子释放氧化锌NPs可能与核酸相互作用,使酶的呼吸系统,最终导致细胞损伤和死亡(27,28]。第二,细胞内化的氧化锌NPs可能导致物理伤害和膜瓦解29日]。第三,活性氧(ROS)生成的氧化锌NPs在水溶液中也可能导致抗菌活性(17,19,30.,31日]。
在这个工作中,展示的抗菌机制氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜,革兰氏阳性金黄色葡萄球菌与革兰氏阴性大肠杆菌服用ZnO-3 12 h,其次是TEM分析(图6)。很明显,一些细胞内内容泄露出来金黄色葡萄球菌细胞(图6(一)),这可能是由于细胞膜损伤引起的细胞内化的氧化锌NPs(图6(b))。相比之下,在治疗大肠杆菌细胞氧化锌NPs的细胞内和细胞内的泄漏可以观察到(数字内容6(c)和6(d))。显然,外膜大肠杆菌被氧化锌NPs分解。然而,大肠杆菌原生质球仍能生存。这个结果也证实了我们的发现,氧化锌NPs在革兰氏阳性细菌有较强的抗菌活性比革兰氏阴性的。观察到的差异可能是由于很多原因而革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌之间的主要区别是它们的细胞壁结构的性质。此外,革兰氏阴性菌具有一个额外的外膜组成的脂多糖保护肽聚糖层从化学攻击1]。当我们把氧化锌NPs细胞膜损伤,这是有可能的,尽管需要进一步调查,溶解锌物种的伤害来自于效果为例。潜在的抗菌活性氧化锌NPs机制还不是很清楚,很多未知函数,特异性和毒性的氧化锌NPs在未来需要调查研究。
3.4。评价细胞粘附到氧化锌NPs / PVA Nanofibrous膜
微生物细胞粘附表面和随后的生物膜的开发是一种生存策略受雇于几乎所有细菌(32]。微生物生物膜细菌可以更好地抵抗极端环境如抗生素浓度高。因此,它是重要的一步来抑制细胞粘附表面生物膜的形成。评估的影响氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜在细胞粘附,四个微生物测试,也就是说,金黄色葡萄球菌,大肠杆菌,白念珠菌,答:尼日尔。如图7细胞粘附抑制ZnO-3对细菌的影响金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在真菌)比(白念珠菌和答:尼日尔)。这可能是由于这一事实金黄色葡萄球菌(33),大肠杆菌(34)亲水细菌及其附着力最好亲水矩阵而不是疏水性ZnO-3表面(图3 (c))。
(一)
(b)
(c)
(d)
SEM分析表明,氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜是由片状物质的组织金黄色葡萄球菌(图8(一个)),大肠杆菌(图8 (b))。此外,只有少量的细胞和细胞集群(即。信息粘连)观察膜表面。因此,我们怀疑他们是细胞内的内容源于细胞溶解细胞生物膜。在白念珠菌组,细胞仍聚在一起,没有连续片状物质(图8 (c)),这表明这些细胞没有明显受损,还活着。这个结果与我们之前一致发现细胞粘附抑制效应白念珠菌较低(图7 (c))。据报道,毛细管部队中发挥主导作用答:尼日尔孢子粘附过程(35]。孢子的疏水表面可能尤其是促进粘附[36),这表明答:尼日尔孢子可能坚持疏水性ZnO-3膜表面,因此较低的细胞粘附抑制效应ZnO-3(数字7 (d)和8 (d))。
(一)
(b)
(c)
(d)
总之,氧化锌NPs / PVA复合膜nanofibrous原位合成与他们的物理/化学性质特征。这种材料显示显著的抗菌活动和细胞粘附抑制影响广泛的微生物包括革兰氏阳性金黄色葡萄球菌,革兰氏阴性大肠杆菌、真菌白念珠菌和孢子答:尼日尔。我们的数据显示,主要的抗菌机制可以归因于细胞膜损伤和细胞内化的氧化锌NPs,而氧化锌的疏水表面NPs / PVA nanofibrous膜主要导致了细胞粘附抑制。这些结果表明,氧化锌NPs / PVA nanofibrous膜可以作为一种有效的抗菌剂来维持农业和食品安全。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金资助(没有。21476176),中国国家关键技术研发项目(没有。2015 bad16b01),中国国家高技术研究发展计划(863计划,没有。2015 aa021002),安徽的国际科技合作项目(没有。1503062006)。