DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-83157-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39753654
تاريخ النشر: 2025-01-04
المؤلف: Hebat‐Allah S. Tohamy
الموضوع الرئيسي: تطبيقات النقاط الكربونية والكمية
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتخليق هيميسليلوز كربوكسي ميثيل (CM-Hemi) ونقاط كربون مشوبة بالنيتروجين (N-CDs) من قش قصب السكر، مما أدى إلى تطوير مستشعر هيدروجيل، CM-Hemi@Ca-N-CDs، بخصائص مضادة للبكتيريا والفطريات ملحوظة. أظهر هذا الهيدروجيل فعالية ضد كل من البكتيريا سالبة الجرام (Escherichia coli) وإيجابية الجرام (Staphylococcus aureus)، بالإضافة إلى نشاط مضاد للفطريات ضد Candida albicans. أشارت دراسات الربط الجزيئي إلى تفاعلات ربط قوية بين الهيدروجيل وبروتينات Staphylococcus aureus وCandida albicans، مع مسافة ربط تبلغ 1.92 Å، مقارنة بـ 2.01 Å لـ Escherichia coli. كشفت المجهرية الفلورية عن انبعاثات لونية مميزة من الهيدروجيل عند التفاعل مع ميكروبات مختلفة، تُعزى إلى اختلافات في هياكل جدران خلاياها.
استخدمت الدراسة أيضًا حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، التي أشارت إلى أن دمج N-CDs في هيدروجيل CM-Hemi@Ca يعزز من استقراره وصلابته، كما يتضح من فجوة الطاقة المنخفضة ($E_g$)، وارتفاع الألفة الإلكترونية ($\mu$)، وانخفاض اللين ($S$) مقارنةً بهيدروجيل CM-Hemi@Ca بمفرده. يساهم تكوين روابط الأميد بين N-CDs وCM-Hemi في زيادة صلابة الهيدروجيل. بشكل عام، تدعم النتائج إمكانية استخدام CM-Hemi@Ca-N-CDs كمستشعر فعال صديق للبيئة مضاد للبكتيريا والفطريات، مع تأثير ديناميات التفاعل على الخصائص الهيكلية للميكروبات المستهدفة.
الطرق
في هذه الدراسة، كان المادة التجريبية الأساسية المستخدمة هي القش (SB)، الذي تم الحصول عليه من شركة قنا لصناعة الورق في مصر. كانت جميع المواد الكيميائية والمواد المساعدة الإضافية المستخدمة طوال البحث من الدرجة التحليلية وتم استخدامها كما هي، دون إجراء أي تنقية إضافية. يضمن هذا النهج موثوقية وConsistency النتائج التجريبية، حيث أن المواد عالية الجودة ضرورية لصحة النتائج.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق هيدروجيل جديد يتكون من هيميسليلوز كربوكسي ميثيل (CM-Hemi) ونقاط كربون مشوبة بالنيتروجين (N-CDs) باستخدام طريقة صديقة للبيئة. شملت التحضيرات عدة خطوات، بما في ذلك استخراج الهيميسليلوز، والكربوكسي ميثيل، ودمج N-CDs لتعزيز خصائص الهيدروجيل المضادة للبكتيريا والفطريات. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتحليل التركيب الكيميائي والشكل الخارجي للهيدروجيل، مما كشف عن تفاعلات كبيرة بين المكونات التي تساهم في وظيفتها.
أظهر الهيدروجيل نشاطًا مضادًا للبكتيريا ملحوظًا ضد كل من البكتيريا إيجابية الجرام وسالبة الجرام، حيث أظهر CM-Hemi@Ca-N-CDs مناطق تثبيط تبلغ 15 مم ضد Staphylococcus aureus و13 مم ضد البكتيريا سالبة الجرام. بالإضافة إلى ذلك، لوحظ نشاط مضاد للفطريات ضد Candida albicans. سلطت الدراسة الضوء على دور هيكل الهيدروجيل في تسهيل التفاعلات مع جدران خلايا الميكروبات، وخاصة الجذب الكهروستاتيكي بين N-CDs المشحونة إيجابيًا والمكونات المشحونة سلبًا للبكتيريا إيجابية الجرام. تشير هذه النتائج إلى أن هيدروجيل CM-Hemi@Ca-N-CDs له تطبيقات محتملة في العلاجات المضادة للميكروبات والاستشعار الحيوي، مدعومة بنمذجة حسابية أكدت تفاعلات ربط قوية مع الميكروبات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-83157-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39753654
Publication Date: 2025-01-04
Author(s): Hebat‐Allah S. Tohamy
Primary Topic: Carbon and Quantum Dots Applications
Overview
The research presents a novel approach for synthesizing carboxymethyl hemicellulose (CM-Hemi) and nitrogen-doped carbon dots (N-CDs) from sugarcane bagasse, resulting in the development of a hydrogel sensor, CM-Hemi@Ca-N-CDs, with notable antibacterial and antifungal properties. This hydrogel demonstrated effectiveness against both Gram-negative (Escherichia coli) and Gram-positive (Staphylococcus aureus) bacteria, as well as antifungal activity against Candida albicans. Molecular docking studies indicated strong binding interactions between the hydrogel and the proteins of Staphylococcus aureus and Candida albicans, with a binding distance of 1.92 Å, compared to 2.01 Å for Escherichia coli. Fluorescence microscopy revealed distinct color emissions from the hydrogel when interacting with different microorganisms, attributed to variations in their cell wall structures.
The study further employed density functional theory (DFT) calculations, which indicated that the incorporation of N-CDs into the CM-Hemi@Ca hydrogel enhances its stability and rigidity, as evidenced by a lower energy gap ($E_g$), higher electron affinity ($\mu$), and lower softness ($S$) compared to the CM-Hemi@Ca hydrogel alone. The formation of amide bonds between N-CDs and CM-Hemi contributes to the hydrogel’s increased rigidity. Overall, the findings support the potential of CM-Hemi@Ca-N-CDs as an effective eco-friendly antibacterial and antifungal sensor, with the interaction dynamics influenced by the structural characteristics of the target microorganisms.
Methods
In this study, the primary experimental material utilized was bagasse (SB), which was procured from the Quena Company for Paper Industry in Egypt. All additional chemicals, reagents, and materials employed throughout the research were of analytical grade and were used as received, without undergoing further purification. This approach ensures the reliability and consistency of the experimental results, as high-quality materials are critical for the validity of the findings.
Discussion
In this study, a novel hydrogel composed of carboxymethyl hemicellulose (CM-Hemi) and nitrogen-doped carbon dots (N-CDs) was synthesized using an eco-friendly method. The preparation involved multiple steps, including the extraction of hemicellulose, carboxymethylation, and the incorporation of N-CDs to enhance the hydrogel’s antibacterial and antifungal properties. Characterization techniques such as Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM) were employed to analyze the chemical composition and morphology of the hydrogels, revealing significant interactions between the components that contribute to their functionality.
The hydrogel demonstrated notable antibacterial activity against both Gram-positive and Gram-negative bacteria, with CM-Hemi@Ca-N-CDs exhibiting inhibition zones of 15 mm against Staphylococcus aureus and 13 mm against Gram-negative bacteria. Additionally, antifungal activity was observed against Candida albicans. The study highlighted the role of the hydrogel’s structure in facilitating interactions with microbial cell walls, particularly the electrostatic attraction between the positively charged N-CDs and the negatively charged components of Gram-positive bacteria. These findings suggest that the CM-Hemi@Ca-N-CDs hydrogel has potential applications in antimicrobial treatments and biosensing, supported by computational modeling that confirmed strong binding interactions with microorganisms.