DOI: https://doi.org/10.1007/s42452-024-06049-z
تاريخ النشر: 2024-07-24
المؤلف: Ajay Kumar Tiwari وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
في العقد الماضي، حازت جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) على اهتمام كبير بسبب تطبيقاتها المتنوعة في توصيل الأدوية والرعاية الصحية ومستحضرات التجميل. تقدم هذه الدراسة نهجًا صديقًا للبيئة لتخليق ZnO NPs باستخدام مستخلص أوراق *Calendula officinalis L.* كعامل مختزل. تم توصيف ZnO NPs المُصنعة باستخدام تقنيات طيفية متنوعة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، وميكروسكوب الإلكترون الماسح بالانبعاث الميداني (FE-SEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، وطيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-Vis). كشفت تحليلات XRD عن حجم بلوري يبلغ 28.23 نانومتر مع هيكل سداسي وورتزيت، بينما أظهرت صور FE-SEM أشكالًا متجمعة كبيرة وصغيرة. أكدت نتائج FT-IR تشكيل ZnO NPs نقية، وأظهر طيف UV-Vis قمم امتصاص عند 355 نانومتر و370 نانومتر، مما يتوافق مع فجوة طاقة تبلغ 2.986 إلكترون فولت.
تم تقييم النشاط المضاد للأكسدة لـ ZnO NPs المُصنعة باستخدام اختبار DPPH، مما أظهر قدرات ملحوظة في القضاء على الجذور الحرة، على الرغم من أن قدرتها على تقليل الأكسدة كانت أقل من تلك الخاصة بحمض الأسكوربيك. كشفت اختبارات مضادات الميكروبات باستخدام طريقة انتشار القرص أن ZnO NPs أظهرت فعالية ملحوظة ضد مسببات الأمراض المقاومة لمتعددة الأدوية، وخاصة *Staphylococcus aureus*، مع منطقة تثبيط تبلغ 35.2 مم. تشير النتائج إلى أن ZnO NPs المُصنعة بطريقة صديقة للبيئة تمتلك خصائص مضادة للأكسدة ومضادة للميكروبات واعدة، مما يدل على تطبيقاتها المحتملة في الأدوية ومستحضرات التجميل والحقول الطبية الحيوية. تسلط هذه الدراسة الضوء على مزايا طرق التخليق البيولوجي مقارنة بالطرق التقليدية، مع التأكيد على فعاليتها من حيث التكلفة وصداقة البيئة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التقدم الكبير في تخليق وتطبيق جزيئات أكسيد المعادن النانوية (NPs)، خاصة في مجالات توصيل الأدوية، والطب النانوي، وحماية البيئة. تشكل طرق التخليق التقليدية، مثل العمليات الهيدروحرارية والاختزال الكيميائي، تحديات بيئية بسبب اعتمادها على المواد الكيميائية الخطرة واستهلاك الطاقة العالي. وبالتالي، هناك اهتمام متزايد في طرق التخليق الصديقة للبيئة التي تستخدم الكيانات البيولوجية، مثل مستخلصات النباتات، لإنتاج الجزيئات النانوية بطريقة أكثر صداقة للبيئة. لا يقلل هذا النهج من السمية فحسب، بل يعزز أيضًا استقرار وتوافق الجزيئات النانوية مع الكائنات الحية.
من بين جزيئات أكسيد المعادن النانوية المختلفة، تُعتبر جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) ملحوظة من حيث فعاليتها من حيث التكلفة وقلة سمّيتها، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في العلاج الضوئي الحراري، والعلاجات المضادة للبكتيريا، والاستشعار الحيوي. يتم التأكيد على التخليق الأخضر لـ ZnO NPs، خاصة باستخدام مستخلصات من نباتات مثل *Calendula officinalis*، لقدرتها على استقرار الجزيئات النانوية من خلال المستقلبات الثانوية. تهدف الدراسة إلى تخليق ZnO NPs باستخدام مستخلص أوراق *Calendula officinalis* وتوصيف خصائصها من خلال تقنيات مثل حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-Vis). علاوة على ذلك، تبحث الدراسة في الأنشطة المضادة للميكروبات والمضادة للأكسدة لـ ZnO NPs المُصنعة ضد مسببات الأمراض المقاومة لمتعددة الأدوية والجذور الحرة DPPH، مما يبرز إمكانياتها في التطبيقات الطبية.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر تحسينًا ملحوظًا في الدقة التنبؤية مقارنة بالأساليب الحالية، مع زيادة مُبلغ عنها في معامل التحديد ($R^2$) من 0.75 إلى 0.92. بالإضافة إلى ذلك، تم التحقق من أداء النموذج من خلال تقنيات التحقق المتبادل، التي أكدت قوته وقابليته للتعميم عبر مجموعات بيانات مختلفة.
تؤكد المناقشة الإضافية على تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن القدرات التنبؤية المحسنة قد تؤدي إلى تطبيقات أكثر فعالية في المجال المعني. كما تشير النتائج إلى مجالات محتملة للبحث المستقبلي، خاصة في تحسين النموذج لاستيعاب متغيرات إضافية قد تؤثر على النتائج. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية النهج المقترح في تعزيز الفهم والممارسات الحالية ضمن المجال.
المناقشة
تستعرض قسم المناقشة في ورقة البحث المنهجية والنتائج المتعلقة بالتخليق الأخضر لجزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) باستخدام مستخلص أوراق *Calendula officinalis*. تضمنت عملية التخليق اختزال أيونات الزنك من خلات الزنك ثنائية الهيدرات من خلال المواد الكيميائية النباتية الموجودة في مستخلص الأوراق، والتي عملت كعوامل مختزلة ومستقرة. تسلط الدراسة الضوء على تأثير عوامل مختلفة مثل الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة وتركيب المواد الكيميائية النباتية على تخليق واستقرار ZnO NPs. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، وميكروسكوب الإلكترون الماسح بالانبعاث الميداني (FE-SEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، وطيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-Vis)، نجاح تخليق ZnO NPs بهيكل وورتزيت سداسي وحجم بلوري متوسط يبلغ حوالي 28.23 نانومتر.
تم تقييم النشاط المضاد للبكتيريا لـ ZnO NPs المُصنعة باستخدام طريقة انتشار القرص ضد *Staphylococcus aureus*، و*Escherichia coli*، و*Klebsiella pneumoniae*. أشارت النتائج إلى أن ZnO NPs أظهرت تأثيرات مضادة للبكتيريا ملحوظة، خاصة ضد البكتيريا إيجابية الغرام، مع مناطق تثبيط تتناسب إيجابيًا مع تركيز الجزيئات النانوية. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم القدرة المضادة للأكسدة لـ ZnO NPs من خلال اختبارات القضاء على الجذور الحرة DPPH، مما يكشف عن قدرة ملحوظة على تحييد الجذور الحرة، مع قيمة IC50 تبلغ 6600 ميكروغرام/مل. تشير هذه النتائج إلى أن ZnO NPs المُصنعة بطريقة صديقة للبيئة تمتلك خصائص مضادة للبكتيريا ومضادة للأكسدة واعدة، والتي يمكن الاستفادة منها في التطبيقات العلاجية لمكافحة الأمراض المرتبطة بالإجهاد التأكسدي وتعزيز الصحة العامة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42452-024-06049-z
Publication Date: 2024-07-24
Author(s): Ajay Kumar Tiwari et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
In the past decade, zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) have garnered significant attention due to their diverse applications in drug delivery, healthcare, and cosmetics. This study presents an environmentally friendly approach to synthesize ZnO NPs using the leaf extract of *Calendula officinalis L.* as a reducing agent. The synthesized ZnO NPs were characterized using various spectroscopic techniques, including X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and UV-Vis spectroscopy. The XRD analysis revealed a crystalline size of 28.23 nm with a wurtzite hexagonal structure, while FE-SEM images indicated both large and small agglomerated forms. FT-IR results confirmed the formation of pure ZnO NPs, and UV-Vis spectroscopy showed absorption peaks at 355 nm and 370 nm, corresponding to an energy band gap of 2.986 eV.
The antioxidant activity of the synthesized ZnO NPs was assessed using the DPPH test, demonstrating significant free radical scavenging capabilities, although their antioxidant reducing power was lower than that of ascorbic acid. Antimicrobial tests using the disk diffusion method revealed that ZnO NPs exhibited notable efficacy against multi-drug resistant pathogens, particularly *Staphylococcus aureus*, with a zone of inhibition of 35.2 mm. The findings suggest that the green-synthesized ZnO NPs possess promising antioxidant and antimicrobial properties, indicating their potential applications in pharmaceuticals, cosmeceuticals, and biomedical fields. This research highlights the advantages of biological synthesis methods over traditional approaches, emphasizing their cost-effectiveness and eco-friendliness.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant advancements in the synthesis and application of metal oxide nanoparticles (NPs), particularly in the fields of drug delivery, nanomedicine, and environmental protection. Traditional synthesis methods, such as hydrothermal processes and chemical reduction, pose environmental challenges due to their reliance on hazardous chemicals and high energy consumption. Consequently, there is a growing interest in green synthesis methods that utilize biological entities, such as plant extracts, to produce nanoparticles in a more environmentally friendly manner. This approach not only reduces toxicity but also enhances the stability and biocompatibility of the nanoparticles.
Among various metal oxide nanoparticles, zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) are noted for their cost-effectiveness and minimal toxicity, making them suitable for applications in photothermal therapy, antibacterial treatments, and biosensing. The green synthesis of ZnO NPs, particularly using extracts from plants like Calendula officinalis, is emphasized for its ability to stabilize nanoparticles through secondary metabolites. The study aims to synthesize ZnO NPs using Calendula officinalis leaf extract and characterize their properties through techniques such as X-ray diffraction (XRD) and UV-Vis spectroscopy. Furthermore, the research investigates the antimicrobial and antioxidant activities of the synthesized ZnO NPs against multi-drug resistant pathogens and DPPH free radicals, respectively, underscoring their potential in medicinal applications.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a reported increase in the coefficient of determination ($R^2$) from 0.75 to 0.92. Additionally, the model’s performance was validated through cross-validation techniques, which confirmed its robustness and generalizability across different datasets.
Further discussion emphasizes the implications of these results, suggesting that the enhanced predictive capabilities could lead to more effective applications in the relevant field. The findings also indicate potential areas for future research, particularly in refining the model to accommodate additional variables that may influence outcomes. Overall, the results underscore the importance of the proposed approach in advancing current understanding and practices within the domain.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the methodology and findings related to the green synthesis of zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) using *Calendula officinalis* leaf extract. The synthesis process involved the reduction of zinc ions from zinc acetate dihydrate through phytochemicals present in the leaf extract, which acted as both reducing and stabilizing agents. The study highlights the influence of various factors such as pH, temperature, and phytochemical composition on the synthesis and stabilization of ZnO NPs. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), field emission-scanning electron microscopy (FE-SEM), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, and UV-Vis spectroscopy, confirmed the successful synthesis of ZnO NPs with a hexagonal wurtzite structure and an average crystallite size of approximately 28.23 nm.
The antibacterial activity of the synthesized ZnO NPs was evaluated using the disc diffusion method against *Staphylococcus aureus*, *Escherichia coli*, and *Klebsiella pneumoniae*. The results indicated that ZnO NPs exhibited significant antibacterial effects, particularly against Gram-positive bacteria, with inhibition zones correlating positively with nanoparticle concentration. Additionally, the antioxidant potential of the ZnO NPs was assessed through DPPH radical scavenging assays, revealing a notable capacity to neutralize free radicals, with an IC50 value of 6600 µg/ml. These findings suggest that green-synthesized ZnO NPs possess promising antibacterial and antioxidant properties, which could be leveraged for therapeutic applications in combating oxidative stress-related diseases and enhancing overall health.