DOI: https://doi.org/10.1186/s12934-024-02609-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39710687
تاريخ النشر: 2024-12-23
المؤلف: Ahmed Ghareeb وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحفيز ضوء TiO2 وخلايا الشمس
نظرة عامة
تقدم هذه المراجعة فحصًا متعمقًا لجزيئات أكسيد التيتانيوم النانوية (TiO₂-NPs)، مع التركيز على تخليقها البيولوجي من خلال كيانات بيولوجية متنوعة، بما في ذلك النباتات والبكتيريا والفطريات والفيروسات والطحالب. تعالج هذه الطرق الصديقة للبيئة والفعالة من حيث التكلفة قيود طرق التخليق التقليدية. تظهر TiO₂-NPs خصائص فريدة مثل مساحة السطح العالية، والاستقرار، والحماية من الأشعة فوق البنفسجية، والنشاط الضوئي التحفيزي، مما يسهل تطبيقها في مجالات متنوعة. تبرز المراجعة الاستخدامات الهامة لجزيئات TiO₂-NPs التي تم تخليقها بطريقة خضراء في الطب الحيوي، لا سيما خصائصها المضادة للميكروبات، ومضادة للسرطان، ومضادة للأكسدة، بالإضافة إلى أدوارها في توصيل الأدوية المستهدف، والعلاج الضوئي الديناميكي، وعلاج السرطان العلاجي. علاوة على ذلك، تناقش تطبيقاتها في أجهزة الاستشعار الحيوية، والتصوير الحيوي، والزراعة، بما في ذلك المبيدات النانوية والأسمدة النانوية، جنبًا إلى جنب مع فعاليتها في معالجة التربة والمياه الملوثة.
في الختام، تؤكد النتائج على تعددية واعد TiO₂-NPs عبر القطاعات الطبية والزراعية والبيئية. تجعل خصائصها المميزة مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك توصيل الأدوية المستهدف وإزالة التلوث البيئي. تدعو المراجعة إلى مزيد من البحث في طرق التخليق المعتمدة على البيولوجيا وآليات النشاط الحيوي لتعزيز فعالية وسلامة TiO₂-NPs في الرعاية الصحية والممارسات الزراعية، مما يمهد الطريق للتقدم المستقبلي في تكنولوجيا النانو.
مقدمة
تستعرض مقدمة هذه الورقة البحثية التأثير التحويلي لتكنولوجيا النانو، لا سيما في معالجة الجسيمات الذرية لتصميم مواد نانوية ذات تطبيقات متنوعة في المواد الحيوية، والكيمياء العضوية، والطب. لقد أحدثت التطورات في تكنولوجيا المجهر ثورة في توصيل الأدوية، وتصوير الجسم، واكتشاف الأمراض، مما يتيح علاجات دقيقة من خلال الجسيمات النانوية (NPs) التي تعزز الفعالية العلاجية مع تقليل الآثار الجانبية. تسهل الخصائص الفريدة للجسيمات النانوية، المتأثرة بحجمها وشكلها وتركيبها الكيميائي، استخدامها في تطبيقات صيدلانية متنوعة، بما في ذلك العلاجات المضادة للميكروبات، ومضادات الأكسدة، ومضادات السرطان.
تؤكد الورقة على أهمية المعادن الانتقالية، لا سيما جزيئات أكسيد التيتانيوم النانوية (TiO₂-NPs)، التي تتميز بأوربيتالاتها d غير المكتملة وحالات الأكسدة المتغيرة، مما يسمح بخصائص فيزيائية كيميائية مصممة خصيصًا. تُنتج TiO₂-NPs بكميات كبيرة نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة واستقرارها، وتظهر فجوة نطاق كبيرة تجعلها مناسبة لتطبيقات أشباه الموصلات. يتم تسليط الضوء على تعدديتها من خلال أدوارها في تكنولوجيا الاستشعار، والتحفيز الضوئي، وكعوامل مضادة للميكروبات. تهدف المراجعة إلى استكشاف طرق التخليق الصديقة للبيئة لجزيئات TiO₂-NPs وتطبيقاتها الطبية الحيوية، بما في ذلك خصائصها المضادة للأكسدة ومضادة للسرطان، مع الدعوة إلى مزيد من البحث في الهياكل النانوية المتقدمة لتعزيز الابتكارات المستقبلية في هذا المجال.
طرق
تصنف قسم طرق التخليق التقنيات التقليدية لإنتاج أكاسيد المعادن إلى نهجين رئيسيين: من الأعلى إلى الأسفل ومن الأسفل إلى الأعلى. يتضمن نهج من الأعلى إلى الأسفل تقليل المواد الضخمة إلى جزيئات نانوية (من 1 مم إلى نطاق تحت الميكرومتر) من خلال طرق فيزيائية مثل الطحن، والنقش، وإزالة الليزر. على الرغم من أن هذه الطريقة بسيطة، إلا أنها تواجه تحديات تتعلق بتحقيق التوزيع الأحادي والتحكم في خصائص الجسيمات. من ناحية أخرى، يقوم نهج من الأسفل إلى الأعلى ببناء الجسيمات النانوية (من 0.1 نانومتر إلى نطاق تحت الميكرومتر) من سوابق ذرية أو جزيئية من خلال التجميع الذاتي، مما يسمح بتحكم أفضل في أبعاد الجسيمات وشكلها. ومع ذلك، تواجه هذه الطريقة مشكلات تتعلق بالقدرة على التوسع وقيود الموارد.
يميز النص أيضًا بين تقنيات التخليق القائمة على الطباعة الحجرية وغير الحجرية. تتيح طرق الطباعة الحجرية، بما في ذلك الطباعة الحجرية الضوئية وطباعة النانو، التحكم الهندسي الدقيق للجسيمات النانوية، بينما تقدم التقنيات غير الحجرية، مثل الطحن الكروي والتخليق الكهروكيميائي، طرقًا بديلة ولكنها غالبًا ما تتطلب خطوات معالجة متعددة وتحكمًا صارمًا في الظروف. يمكن أن تولد كلا الطريقتين منتجات ثانوية سامة، مما يبرز الحاجة إلى طرق تخليق صديقة للبيئة، لا سيما تلك التي تستفيد من التقنيات البيولوجية والخضراء للتخفيف من الأثر البيئي.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على أهمية طرق التخليق البيولوجي للجسيمات النانوية، مع التأكيد على طبيعتها الصديقة للبيئة والمستدامة مقارنة بالتقنيات التقليدية. تم تحديد مسارين رئيسيين: التخليق النباتي، الذي يستخدم مستخلصات نباتية غنية بالمواد الأيضية، والتخليق الميكروبي، الذي يستفيد من قدرات الكائنات الدقيقة مثل البكتيريا والفطريات والطحالب. تستفيد كلا الطريقتين من العمليات البيولوجية الطبيعية لإنتاج الجسيمات النانوية، مما يعزز كفاءة التفاعل ويولد مواد متوافقة حيويًا مناسبة للتطبيقات الطبية. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات، بما في ذلك الحاجة إلى تحسين لتحقيق خصائص معينة للجسيمات النانوية وفهم شامل لدور المركبات المختلفة في عملية التصنيع الحيوي.
يُلاحظ أن التخليق النباتي يتميز باستقراره وبساطته، حيث تعمل مستخلصات النباتات، لا سيما من الأوراق، كعوامل اختزال فعالة بسبب محتواها العالي من المركبات البوليفينولية. تتضمن عملية التخليق تفاعلات أكسدة-اختزال حيث يتم تقليل الأيونات المعدنية لتشكيل الجسيمات النانوية، مع تأثير عوامل مثل الرقم الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، وتركيز المتفاعلات على خصائص المنتج النهائي. يناقش القسم أيضًا التخليق الميكروبي، الذي يستخدم البكتيريا والفطريات لتسهيل تشكيل الجسيمات النانوية من خلال التفاعلات الكيميائية الحيوية. يتم تسليط الضوء على الأنواع البكتيرية، على وجه الخصوص، لقدرتها على التكيف وكفاءتها في إنتاج الجسيمات النانوية، مع استخدام طرق متنوعة (داخل الخلايا وخارجها). تختتم الورقة بالتأكيد على إمكانيات كل من الطرق النباتية والميكروبية للإنتاج القابل للتوسع للجسيمات النانوية ذات التطبيقات الطبية الحيوية المتنوعة، مع الاعتراف أيضًا بالحاجة إلى مزيد من البحث لتحسين هذه العمليات وفهم الآليات الأساسية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12934-024-02609-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39710687
Publication Date: 2024-12-23
Author(s): Ahmed Ghareeb et al.
Primary Topic: TiO2 Photocatalysis and Solar Cells
Overview
This review provides an in-depth examination of titanium dioxide nanoparticles (TiO₂-NPs), emphasizing their biogenic synthesis through various biological entities, including plants, bacteria, fungi, viruses, and algae. These eco-friendly and cost-effective methods address the limitations of traditional synthesis approaches. TiO₂-NPs exhibit unique properties such as high surface area, stability, UV protection, and photocatalytic activity, which facilitate their application in diverse fields. The review highlights significant uses of green-synthesized TiO₂-NPs in biomedicine, particularly their antimicrobial, anticancer, and antioxidant properties, as well as their roles in targeted drug delivery, photodynamic therapy, and theragnostic cancer treatment. Furthermore, it discusses their applications in biosensors, bioimaging, and agriculture, including nanopesticides and nanofertilizers, along with their effectiveness in remediating contaminated soil and water.
In conclusion, the findings underscore the versatility and potential of TiO₂-NPs across biomedical, agricultural, and environmental sectors. Their distinctive characteristics make them suitable for various applications, including targeted drug delivery and environmental decontamination. The review advocates for further research into bio-based synthesis methods and the mechanisms of bioactivity to enhance the efficacy and safety of TiO₂-NPs in healthcare and agronomic practices, thereby laying the groundwork for future advancements in nanotechnology.
Introduction
The introduction of this research paper outlines the transformative impact of nanotechnology, particularly in the manipulation of atomic particles to engineer nanoscale materials with diverse applications in biomaterials, organic chemistry, and medicine. The advancements in microscopy technology have revolutionized drug delivery, body imaging, and disease detection, enabling precise treatments through nanoparticles (NPs) that enhance therapeutic efficacy while minimizing side effects. The unique properties of NPs, influenced by their size, shape, and chemical composition, facilitate their use in various pharmacological applications, including antimicrobial, antioxidant, and anticancer therapies.
The paper emphasizes the significance of transition metals, particularly titanium dioxide nanoparticles (TiO₂-NPs), which are notable for their incomplete d-orbitals and variable oxidation states, allowing for tailored physicochemical properties. TiO₂-NPs, produced in large quantities due to their cost-effectiveness and stability, exhibit a substantial band gap that makes them suitable for semiconductor applications. Their versatility is further highlighted by their roles in sensor technology, photocatalysis, and as antimicrobial agents. The review aims to explore eco-friendly synthesis methods for TiO₂-NPs and their biomedical applications, including antioxidant and anticancer properties, while advocating for further research into advanced nanostructures to enhance future innovations in this field.
Methods
The section on synthesis methods categorizes conventional techniques for producing metal oxides into two primary approaches: top-down and bottom-up. The top-down approach involves reducing bulk materials into nanosized particles (1 mm to sub-micrometer scale) through physical methods such as milling, etching, and laser ablation. While this method is straightforward, it presents challenges related to achieving monodispersity and controlling particle characteristics. Conversely, the bottom-up approach constructs nanoparticles (0.1 nm to sub-micrometer scale) from atomic or molecular precursors through self-assembly, allowing for better manipulation of particle dimensions and morphology. However, this method faces issues with scalability and resource constraints.
The text further distinguishes between lithography-based and non-lithographic techniques for nanoparticle synthesis. Lithography methods, including photolithography and nanoimprint lithography, enable precise geometric control of nanoparticles, while non-lithographic techniques, such as ball milling and electrochemical synthesis, offer alternative routes but often require multiple processing steps and stringent control over conditions. Both approaches can generate toxic by-products, highlighting the need for eco-friendly synthesis methods, particularly those leveraging biological and green techniques to mitigate environmental impact.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significance of biogenic synthesis methods for nanoparticles, emphasizing their environmentally friendly and sustainable nature compared to conventional techniques. Two primary pathways are identified: phytosynthesis, which utilizes plant extracts rich in metabolites, and microbial synthesis, which harnesses the capabilities of microorganisms such as bacteria, fungi, and algae. Both methods leverage natural biological processes to produce nanoparticles, enhancing reaction efficiency and yielding biocompatible materials suitable for medical applications. However, challenges remain, including the need for optimization to achieve specific nanoparticle characteristics and a thorough understanding of the roles of various compounds in the biofabrication process.
Phytosynthesis is noted for its stability and simplicity, with plant extracts, particularly from leaves, serving as effective reducing agents due to their high content of polyphenolic compounds. The synthesis process involves redox reactions where metallic ions are reduced to form nanoparticles, with factors like pH, temperature, and reactant concentration influencing the final product’s properties. The section also discusses microbial synthesis, which employs bacteria and fungi to facilitate nanoparticle formation through biochemical interactions. Bacterial species, in particular, are highlighted for their adaptability and efficiency in producing nanoparticles, with various methods (intracellular and extracellular) being utilized. The paper concludes by underscoring the potential of both phytosynthetic and microbial routes for the scalable production of nanoparticles with diverse biomedical applications, while also acknowledging the need for further research to optimize these processes and understand the underlying mechanisms.