DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1337543
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38260749
تاريخ النشر: 2024-01-08
المؤلف: Zhaonan Hao وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
الاستخدام المفرط للمضادات الحيوية أدى إلى التطور السريع لمقاومة البكتيريا، مما يثير الحاجة إلى مواد مضادة للبكتيريا جديدة. أظهرت التقدمات الأخيرة في تكنولوجيا النانو أن الجسيمات النانوية المعدنية وأكاسيد المعادن (MeO NPs)، وخاصة الجسيمات النانوية الفضية (Ag NPs) والجسيمات النانوية النحاسية (Cu NPs)، تمتلك خصائص مضادة للبكتيريا محسنة مقارنة بأشكالها الضخمة. بينما تظهر هذه الجسيمات النانوية تأثيرات مضادة للبكتيريا كبيرة من خلال آليات مثل إطلاق أيونات المعادن والإجهاد التأكسدي، لا تزال هناك مخاوف بشأن سميتها الخلوية والوراثية. ظهرت الجسيمات النانوية ثنائية المعدن (BNPs) المكونة من Ag NPs وCu NPs كبديل واعد، حيث تظهر فعالية مضادة للبكتيريا قوية مع تقليل السمية. تناقش هذه الورقة طرق التخليق المختلفة لـ Ag-Cu NPs، مع تسليط الضوء على تأثيراتها التآزرية والعوامل التي تؤثر على أدائها.
في الختام، تظهر Ag-Cu NPs فعالية قاتلة للبكتيريا متفوقة وسميّة وراثية مخفضة مقارنة بالجسيمات النانوية الفردية. إن دمج BNPs لا يعالج فقط مشاكل التجميع لـ Cu NPs ولكن أيضًا يخفف من التأثيرات الوراثية لـ Ag NPs، مما يعزز خصائصها المضادة للبكتيريا بشكل عام. يتأثر أداء هذه الجسيمات النانوية بعوامل خارجية مثل الرقم الهيدروجيني وظروف الإضاءة. بينما تعتبر طرق التخليق التقليدية مكلفة وخطيرة، فإن التخليق الأخضر باستخدام الكائنات الدقيقة والنباتات يقدم بديلاً غير سام وصديقًا للبيئة، على الرغم من التحديات في قابلية الإنتاج والتحكم في خصائص الجسيمات. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين طرق التخليق الأخضر، وتطوير ناقلات نانوية أكثر أمانًا، واستكشاف آليات جديدة لتخليق مركبات المعادن النانوية الفعالة، بهدف تحقيق تطبيقات قابلة للتوسع في البيئات السريرية. توفر هذه المراجعة رؤى حول الآليات القاتلة للبكتيريا والعوامل المؤثرة في مجمعات النانو الفضية والنحاسية، مما يوجه التحقيقات المستقبلية في هذا المجال الحاسم.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية الحرجة لزيادة مقاومة البكتيريا بسبب الاستخدام الواسع للمضادات الحيوية، مما يشكل تهديدات كبيرة للصحة العامة والاستقرار الاقتصادي. في عام 2019، تسببت العدوى المقاومة للمضادات الحيوية بشكل مباشر في 1.27 مليون وفاة، مع 4.95 مليون وفاة إضافية مرتبطة بشكل غير مباشر بهذه المشكلة، متجاوزة الوفيات الناتجة عن الإيدز والملاريا. يبرز هذا الاتجاه المقلق الحاجة الملحة إلى مواد مضادة للبكتيريا مبتكرة، وخاصة الجسيمات النانوية، التي أظهرت فعاليتها في مكافحة مقاومة البكتيريا من خلال آليات مختلفة مثل القتل المباشر وتعطيل الغشاء.
من بين الجسيمات النانوية، يتم تسليط الضوء على الجسيمات النانوية الفضية (Ag NPs) لخصائصها الاستثنائية المضادة للبكتيريا وانخفاض ميلها للمقاومة، حيث تعمل من خلال إطلاق أيونات Ag⁺ وتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). بالمقابل، تظهر الجسيمات النانوية النحاسية (Cu NPs) أيضًا نشاطًا مضادًا للبكتيريا كبيرًا، بشكل أساسي من خلال تحفيز الإجهاد التأكسدي، على الرغم من التحديات المتعلقة بأكسدتها أثناء الإنتاج. يتم اقتراح إدخال الجسيمات النانوية ثنائية المعدن (BNPs)، وخاصة الجسيمات النانوية من سبائك الفضة والنحاس (Ag-Cu NPs)، كبديل واعد، حيث تظهر تأثيرات مضادة للبكتيريا محسنة، واستقرارًا أفضل، وسميّة مخفضة مقارنة بنظيراتها الفردية. تهدف هذه المراجعة إلى توضيح الآليات المضادة للبكتيريا التآزرية لـ Ag-Cu NPs وتوفير إطار نظري شامل للبحوث المستقبلية في هذا المجال.
مناقشة
تحدد قسم المناقشة في الورقة البحثية طرق التخليق المختلفة للجسيمات النانوية الفضية والنحاسية (Ag-Cu NPs)، مع التأكيد على تأثير تقنيات التحضير على الخصائص الهيكلية والوظيفية للجسيمات النانوية ثنائية المعدن (BNPs). تم تحديد نهجين رئيسيين: الطرق من الأعلى إلى الأسفل ومن الأسفل إلى الأعلى. تواجه الطريقة من الأعلى إلى الأسفل، التي تشمل تقنيات مثل إزالة السبائك الكيميائية والتبخير بالليزر النبضي في السوائل (PLAL)، غالبًا تحديات في تحقيق التوحيد في الحجم والشكل، مما قد يؤدي إلى خصائص سطح غير متجانسة. بالمقابل، تتيح الطريقة من الأسفل إلى الأعلى، التي تشمل طرقًا مثل الاختزال الكيميائي والتخليق الحيوي، مزيدًا من التحكم في خصائص الجسيمات النانوية، على الرغم من أنها عادة ما تكون بمعدل إنتاج أبطأ. من الجدير بالذكر أن النهج الحيوي يتم تسليط الضوء عليه لصداقته للبيئة وإمكاناته في إنتاج الجسيمات النانوية ذات الخصائص المضادة للبكتيريا الكبيرة.
تقوم القسم أيضًا بتصنيف Ag-Cu NPs إلى هياكل هجينة وهياكل قشرة-نواة، مع مناقشة خصائصها وتطبيقاتها المميزة. تُلاحظ الجسيمات النانوية ذات القشرة-النواة لاستقرارها المحسن وفعاليتها المضادة للبكتيريا المطولة، بينما يمكن أن تظهر الهياكل الهجينة أشكالًا متنوعة بناءً على الأحجام الذرية للمعادن المكونة. كما تؤكد الورقة على الفعالية المضادة للميكروبات المعززة لـ BNPs، المنسوبة إلى آليات مثل تعطيل الغشاء وتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية، إلى جانب سميتها الوراثية الضئيلة، مما يجعلها مرشحين واعدين للتطبيقات الطبية الحيوية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الاختيار الدقيق لطرق التخليق والتكوينات الهيكلية يمكن أن يؤثر بشكل كبير على الأداء وملفات الأمان لـ Ag-Cu NPs في تطبيقات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1337543
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38260749
Publication Date: 2024-01-08
Author(s): Zhaonan Hao et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
The excessive use of antibiotics has led to the rapid development of bacterial resistance, prompting the need for new antibacterial materials. Recent advancements in nanotechnology have shown that metallic and metal oxide nanoparticles (MeO NPs), particularly silver nanoparticles (Ag NPs) and copper nanoparticles (Cu NPs), possess enhanced antibacterial properties compared to their bulk forms. While these nanoparticles demonstrate significant antibacterial effects through mechanisms such as metal ion release and oxidative stress, concerns regarding their cytotoxicity and genotoxicity remain. Bimetallic nanoparticles (BNPs) composed of Ag NPs and Cu NPs have emerged as a promising alternative, exhibiting strong antibacterial efficacy while minimizing toxicity. This paper discusses various synthesis methods for Ag-Cu NPs, highlighting their synergistic effects and the factors influencing their performance.
In conclusion, Ag-Cu NPs demonstrate superior bactericidal efficacy and reduced genotoxicity compared to individual nanoparticles. The incorporation of BNPs not only addresses the aggregation issues of Cu NPs but also mitigates the genotoxic effects of Ag NPs, enhancing their overall antibacterial properties. The performance of these nanoparticles is influenced by external factors such as pH and light conditions. While traditional synthesis methods are costly and hazardous, green synthesis using microorganisms and plants offers a non-toxic and environmentally friendly alternative, despite challenges in production scalability and control over particle characteristics. Future research should focus on improving green synthesis methods, developing safer nanocarriers, and exploring novel mechanisms for synthesizing effective metal nanocomposites, aiming for scalable applications in clinical settings. This review provides insights into the bactericidal mechanisms and influencing factors of silver and copper nano complexes, guiding future investigations in this critical area.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the critical issue of increasing bacterial resistance due to the extensive use of antibiotics, which poses significant threats to public health and economic stability. In 2019, antibiotic-resistant infections directly caused 1.27 million deaths, with an additional 4.95 million deaths indirectly linked to this problem, surpassing fatalities from AIDS and malaria. This alarming trend underscores the urgent need for innovative antibacterial materials, particularly nanoparticles, which have shown effectiveness in combating bacterial resistance through various mechanisms such as direct killing and membrane disruption.
Among the nanoparticles, silver nanoparticles (Ag NPs) are highlighted for their exceptional antibacterial properties and low propensity for resistance, functioning through the release of Ag⁺ ions and the generation of reactive oxygen species (ROS). In contrast, copper nanoparticles (Cu NPs) also demonstrate significant antibacterial activity, primarily by inducing oxidative stress, although challenges related to their oxidation during production remain. The introduction of bimetallic nanoparticles (BNPs), specifically silver-copper alloy nanoparticles (Ag-Cu NPs), is proposed as a promising alternative, exhibiting enhanced antibacterial effects, improved stability, and reduced toxicity compared to their individual counterparts. This review aims to elucidate the synergistic antibacterial mechanisms of Ag-Cu NPs and provide a comprehensive theoretical framework for future research in the field.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines various synthesis methods for silver-copper nanoparticles (Ag-Cu NPs), emphasizing the impact of preparation techniques on the structural and functional properties of bimetallic nanoparticles (BNPs). Two primary approaches are identified: the top-down and bottom-up methods. The top-down approach, which includes techniques like chemical dealloying and pulsed laser ablation in liquids (PLAL), often faces challenges in achieving uniformity in size and shape, potentially leading to non-uniform surface properties. Conversely, the bottom-up approach, which encompasses methods such as chemical reduction and biosynthesis, allows for greater control over nanoparticle characteristics, albeit typically at a slower production rate. Notably, the biosynthetic approach is highlighted for its eco-friendliness and potential in producing nanoparticles with significant antibacterial properties.
The section further categorizes Ag-Cu NPs into hybrid and core-shell structures, discussing their distinct properties and applications. Core-shell nanoparticles are noted for their enhanced stability and prolonged antibacterial efficacy, while hybrid structures can exhibit varied morphologies based on the atomic sizes of the constituent metals. The paper also emphasizes the enhanced antimicrobial efficacy of BNPs, attributed to mechanisms such as membrane disruption and reactive oxygen species generation, alongside their negligible genotoxicity, making them promising candidates for biomedical applications. Overall, the findings suggest that careful selection of synthesis methods and structural configurations can significantly influence the performance and safety profiles of Ag-Cu NPs in various applications.