DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-00022-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40419505
تاريخ النشر: 2025-05-26
المؤلف: Maryam Fakhariha وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزيوت الأساسية والنشاط المضاد للميكروبات
نظرة عامة
تتركز الأبحاث المقدمة في هذه الدراسة على تطوير وتوصيف كريات نانوية مجوفة من السيليكا (HNSs) وكبسولات بوليمرية مجوفة (HPNs) لتغليف الزيوت الأساسية (EOs) من الزعتر (Thymus vulgaris) والميرمية (Salvia officinalis). تم تخليق HNSs باستخدام رباعي إيثيل أورثوسيليكات (TEOS) من خلال عملية الجل-الصلب، بينما تم إنشاء HPNs عبر بوليمرة في الموقع باستخدام اليوريا والفورمالديهايد. أكدت تقنيات التوصيف مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) وميكروسكوب الإلكترون الماسح بإصدار المجال (FE-SEM) وتشتت الضوء الديناميكي (DLS) على سلامة الهيكل وكفاءة التغليف. أظهرت النتائج أن HNSs أظهرت تجانسًا أفضل في الحجم وسعة تحميل زيت أعلى (4.18 ملغ/غ) مقارنة بـ HPNs، مع ملف إطلاق محكم على مدى 102 يومًا. كشفت اختبارات مضادات الميكروبات أن زيت الزعتر المغلف أظهر نشاطًا مضادًا للبكتيريا كبيرًا، مع قيم التركيز المثبط الأدنى (MIC) تبلغ 4 ميكرولتر/مل ضد الإشريكية القولونية و2 ميكرولتر/مل ضد المكورات العنقودية الذهبية، بينما تطلب زيت الميرمية تركيزات أعلى.
تخلص الدراسة إلى أن التغليف النانوي للزيوت الأساسية يعزز بشكل كبير من استقرارها وديناميكيات إطلاقها وفعاليتها المضادة للميكروبات، مما يجعل HNSs مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب إطلاقًا سريعًا، مثل المبيدات الحيوية وتوصيل الأدوية. في المقابل، توفر HPNs إطلاقًا أكثر تحكمًا، مثاليًا للتطبيقات المستدامة. تشير النتائج إلى منصة متعددة الاستخدامات لاستخدام الزيوت الأساسية المغلفة في الأدوية، والحفاظ على الطعام، ومستحضرات التجميل، مع التأكيد على قابلية التوسع وفعالية التكلفة لتقنيات التغليف المعتمدة على المستحلبات المستخدمة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تحسين ظروف التخليق، وتوسيع نطاق الكائنات الحية الدقيقة المختبرة، وإجراء تجارب زراعية على نطاق واسع، واستكشاف استخدام المواد القابلة للتحلل لتحسين ملفات الإطلاق.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” المواد والإجراءات المستخدمة في البحث. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية ومعدات وإعدادات تجريبية ضرورية للدراسة. تم تصميم المنهجية لضمان قابلية التكرار وموثوقية النتائج، مع دمج بروتوكولات قياسية حيثما كان ذلك ممكنًا.
بالإضافة إلى ذلك، يصف القسم تصميم التجربة، بما في ذلك تقنيات أخذ العينات، وطرق جمع البيانات، والتحليلات الإحصائية التي تم إجراؤها. يسمح هذا النهج الشامل بفحص دقيق للأسئلة البحثية المطروحة، مما يسهل فهمًا واضحًا لكيفية اشتقاق النتائج وتأثيراتها ضمن السياق الأوسع للدراسة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن الزيوت الأساسية (EOs) المغلفة في الهياكل النانوية الهجينة (HNSs) تظهر ملفات إطلاق محكمة متفوقة مقارنة بكبسولات البوليمر (HPNs) على مدى فترة مراقبة تبلغ 102 يوم. تسهل الشبكة المسامية من السيليكا في HNSs الانتشار السريع للزيوت الأساسية، حيث أظهرت HNSs المنتجة في الموقع أسرع معدلات إطلاق بسبب حجمها الأكبر وزيادة سعة التحميل. يعد هذا الإطلاق السريع ميزة خاصة للتطبيقات مثل المبيدات الحيوية الزراعية، حيث يكون العمل الفوري ضد الآفات أمرًا حاسمًا. في المقابل، توفر HPNs إطلاقًا أبطأ وأكثر استدامة بسبب هيكلها الأكثر كثافة، مما يحد من انتشار الزيوت الأساسية.
كشفت اختبارات الفعالية المضادة للميكروبات أن زيت الزعتر المغلف أظهر نشاطًا قويًا ضد كل من الإشريكية القولونية والمكورات العنقودية الذهبية، مع قيم التركيز المثبط الأدنى (MIC) تبلغ 4 ميكرولتر/مل و2 ميكرولتر/مل، على التوالي. عززت عملية التغليف من استقرار زيت الزعتر وإطلاقه المحكم، مما حافظ على فعاليته المضادة للبكتيريا مع مرور الوقت. كما أظهر زيت الميرمية نشاطًا مضادًا للميكروبات ولكنه تطلب تركيزات أعلى، مما يشير إلى فعالية أقل مقارنة بزيت الزعتر. تؤكد النتائج على إمكانيات الزيوت الأساسية المغلفة، وخاصة زيت الزعتر في HNSs، كعوامل مضادة للميكروبات طبيعية فعالة مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الحفاظ على الطعام والرعاية الصحية، حيث يتم البحث بشكل متزايد عن حلول مستدامة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق وتوصيف كبسولات نانوية مجوفة (HNS) وكبسولات بوليمرية مجوفة (HPN) تغلف الزيوت الأساسية (EOs) من الميرمية والزعتر. تم تخليق HNS باستخدام طريقة الجل-الصلب التي تتضمن رباعي إيثيل أورثوسيليكات (TEOS) وبروميد سيتيل تريميثيل الأمونيوم (CTAB)، بينما تم إنشاء HPN من خلال بوليمرة في الموقع لليوريا والفورمالديهايد. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وميكروسكوب الإلكترون الماسح بإصدار المجال (FE-SEM) وتشتت الضوء الديناميكي (DLS) لتقييم سلامة الهيكل، والشكل، وتوزيع الحجم للكبسولات النانوية. أظهرت النتائج نجاح التغليف، حيث أظهرت HNS شكلًا كرويًا موحدًا وحجمًا هيدرو ديناميكيًا يتراوح من 233.80 نانومتر إلى 320.48 نانومتر، بينما تراوحت أحجام HPN من 118.7 نانومتر إلى 794.23 نانومتر اعتمادًا على طريقة التغليف ونوع الزيت الأساسي.
استكشفت الدراسة أيضًا الديناميات الخاصة بالامتصاص والإطلاق للزيوت الأساسية المغلفة. أظهرت تجارب الامتصاص أن HNS كانت لديها سعة امتصاص أعلى لزيت الزعتر (حتى 5.32 ملغ/غ) مقارنة بـ HPN (3.63 ملغ/غ)، وذلك بسبب الهيكل المسامي لشبكة السيليكا. أشارت دراسات الإطلاق إلى أن زيت الزعتر أظهر معدل إطلاق أسرع من زيت الميرمية، والذي تم ربطه بالوزن الجزيئي والتطايرية للزيوت. تؤكد النتائج على أهمية طرق ومواد التغليف في تحسين أداء كبسولات النانو المحملة بالزيوت الأساسية للتطبيقات في توصيل الأدوية والصيغ الزراعية، مما يبرز الإمكانية لأنظمة الإطلاق المحكم المصممة لتلبية احتياجات محددة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-00022-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40419505
Publication Date: 2025-05-26
Author(s): Maryam Fakhariha et al.
Primary Topic: Essential Oils and Antimicrobial Activity
Overview
The research presented in this study focuses on the development and characterization of silica hollow nanospheres (HNSs) and hollow polymer nanocapsules (HPNs) for the encapsulation of essential oils (EOs) from Thyme (Thymus vulgaris) and Sage (Salvia officinalis). The HNSs were synthesized using tetraethyl orthosilicate (TEOS) through a sol-gel process, while the HPNs were created via in-situ polymerization with urea-formaldehyde. Characterization techniques such as Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and dynamic light scattering (DLS) confirmed the structural integrity and encapsulation efficiency. The results indicated that HNSs demonstrated superior size uniformity and higher oil loading capacity (4.18 mg/g) compared to HPNs, with a controlled release profile over 102 days. Antimicrobial assays revealed that encapsulated Thyme EO exhibited significant antibacterial activity, with minimum inhibitory concentration (MIC) values of 4 µL/mL against Escherichia coli and 2 µL/mL against Staphylococcus aureus, while Sage EO required higher concentrations.
The study concludes that the nano-encapsulation of EOs significantly enhances their stability, release kinetics, and antimicrobial efficacy, making HNSs particularly suitable for applications requiring rapid release, such as biopesticides and drug delivery. In contrast, HPNs offer a more controlled release, ideal for sustained applications. The findings suggest a versatile platform for the use of encapsulated EOs in pharmaceuticals, food preservation, and cosmetics, emphasizing the scalability and cost-effectiveness of the emulsion-based encapsulation techniques employed. Future research directions include optimizing synthesis conditions, expanding the range of microorganisms tested, conducting large-scale agricultural trials, and exploring the use of biodegradable materials for enhanced release profiles.
Methods
The “Methods” section outlines the materials and procedures employed in the research. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and experimental setups necessary for the study. The methodology is designed to ensure reproducibility and reliability of the results, incorporating standardized protocols where applicable.
Additionally, the section describes the experimental design, including sampling techniques, data collection methods, and statistical analyses performed. This comprehensive approach allows for a thorough examination of the research questions posed, facilitating a clear understanding of how the findings were derived and their implications within the broader context of the study.
Results
The results of the study indicate that essential oils (EOs) encapsulated in hybrid nanostructures (HNSs) exhibit superior controlled release profiles compared to polymer-based nanocapsules (HPNs) over a 102-day monitoring period. The porous silica matrix of HNSs facilitates rapid diffusion of EOs, with in-situ produced HNSs demonstrating the fastest release rates due to their larger size and increased loading capacity. This rapid release is particularly advantageous for applications such as agricultural biopesticides, where immediate action against pests is crucial. In contrast, HPNs provide a slower, more sustained release due to their denser structure, which limits EO diffusion.
Antimicrobial efficacy tests revealed that encapsulated Thyme EO exhibited potent activity against both Escherichia coli and Staphylococcus aureus, with minimum inhibitory concentration (MIC) values of 4 µL/mL and 2 µL/mL, respectively. The encapsulation process enhanced the stability and controlled release of Thyme EO, maintaining its antibacterial effectiveness over time. Sage EO also demonstrated antimicrobial activity but required higher concentrations, indicating lower efficacy compared to Thyme EO. The findings underscore the potential of encapsulated EOs, particularly Thyme EO in HNSs, as effective natural antimicrobial agents suitable for various applications, including food preservation and healthcare, where sustainable solutions are increasingly sought.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of hollow nanocapsules (HNS) and hollow polymeric nanocapsules (HPN) encapsulating essential oils (EOs) from Sage and Thyme are detailed. The HNS were synthesized using a sol-gel method involving tetraethyl orthosilicate (TEOS) and cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB), while the HPN were created through in-situ polymerization of urea and formaldehyde. Characterization techniques such as Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and dynamic light scattering (DLS) were employed to assess the structural integrity, morphology, and size distribution of the nanocapsules. The results indicated successful encapsulation, with HNS exhibiting a uniform spherical morphology and a hydrodynamic size ranging from 233.80 nm to 320.48 nm, while HPN sizes varied from 118.7 nm to 794.23 nm depending on the encapsulation method and EO type.
The study further explored the adsorption and release kinetics of the encapsulated EOs. Adsorption experiments demonstrated that HNS had a higher adsorption capacity for Thyme EO (up to 5.32 mg/g) compared to HPN (3.63 mg/g), attributed to the porous structure of the silica matrix. Release studies indicated that Thyme EO exhibited a faster release rate than Sage EO, which was linked to the molecular weight and volatility of the oils. The findings underscore the significance of encapsulation methods and materials in optimizing the performance of EO-loaded nanocapsules for applications in drug delivery and agricultural formulations, highlighting the potential for controlled release systems tailored to specific needs.