ZnO@NiOコアの新しい方法

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5441 (2023) この記事を引用

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コアシェルナノ粒子 (NP) は、その多用途な性質と幅広い応用可能性を考慮して、かなりの注目を集めています。この論文では、ハイブリッド技術を使用して ZnO@NiO コアシェルナノ粒子を合成するための新しい方法を提案します。この特性評価は、平均結晶サイズ 13.059 nm の ZnO@NiO コアシェルナノ粒子の形成に成功したことを示しています。結果は、調製された NP がグラム陰性菌とグラム陽性菌の両方に対して優れた抗菌活性を有することを示しています。この挙動は主に細菌の表面に ZnO@NiO NP が蓄積することによって引き起こされ、その結果、細胞傷害性細菌が発生し、ZnO が相対的に増加し、細胞死につながります。さらに、ZnO@NiO コアシェル材料を使用すると、他の多くの理由の中でも特に、細菌が培地中で栄養を得ることができなくなります。最後に、PLAL は拡張性が高く、コスト効率が高く、環境に優しい NP 合成方法であり、調製されたコアシェル NP は、ドラッグデリバリー、がん治療、さらなる生物医学的機能化などの他の生物学的用途に使用できる可能性があります。

ナノ粒子は現在、そのサイズに依存する独自の特性により、強力なツールであり、研究研究にとって最も効果的な分野であると考えられています。接頭辞「Nano」は、10 乗からマイナス 9 乗を表し、ナノメートルスケールと呼ばれます1。直径が 100 nm 未満の粒子はナノ粒子として知られています。金属ナノ粒子 (NP) は、医学、バイオセンシング、生物医学、化粧品、食品、エレクトロニクスなどのさまざまな分野で大きな利点があります2,3。

科学者や研究者は、電気、光学、触媒、熱などのユニークな物理化学的特徴のため、ナノスケールでのさまざまな元素のハイブリダイゼーションに大きな関心を持っています4。これらのユニークで新規な特性は、さまざまな材料の特性と、マクロからナノ構造への粒子サイズの縮小効果の組み合わせから生じます。これにより、表面積対体積の比率が増加し、その後、物理化学的特性が完全に変化します5,6。、7。

近年、2 種類以上の単一ナノ材料から構成される「コアシェル NP」と呼ばれる新しいタイプのハイブリッド NP が開発されました8。研究者らは、NP の物理化学的特性に影響を与えるダングリングボンドの数の増加に役立つ NP の特性により、NP の物理的特性の大部分がナノ構造表面に依存していることを発見しました。これらの品質は、その後のコアの還元プロセスとしての化学的不動態化を通じて、コーティング材料を使用してこのナノ構造形態の外殻を作成することによってさらに強化することができる。このプロセスは「コアシェル」形成として知られています。また、シェル層は、触媒活性や非線形特性9などのコア材料の物理化学的特性を改善し、いくつかの応用分野での開発を加速する可能性のある新しいユニークな特性につながる可能性があります10、11。

酸化亜鉛 (ZnO) に対する研究の関心は、その特性と応用のため、特に ZnO をナノスケールで合成するナノテクノロジーにおいて高まっています 12、13、14、15。これは、表面積が大きく結晶化度が高いため、可能性のある抗菌薬の作成だけでなく、非線形光学、電気デバイス、触媒作用、医療用途などの科学技術分野でも重要です16,17。 ZnO NP は、病原菌耐性株に対する有効性、低毒性、および耐熱性により、抗菌剤として使用されています 18、19、20。金属酸化物半導体の光触媒システムの性能は、Fe、Co、Ni、Mn などの遷移金属を使用することで強化されます。ニッケルは他の遷移金属と同じ価数状態とイオン半径を持っているため、それらに（コア@シェルとして）追加することで、光触媒活性や抗菌活性を高めることができます。さらに、異なる金属酸化物をコアとして使用すると、優れた光触媒活性と抗菌活性を示します21、22、23、24。この研究では、NiO が他の材料には見られない同じ特性を持っているため、ZnO のシェルとして NiO を選択しました。最も重要なことは、細胞を通過する移行であり、これにより彼はコア材料を細胞に保持する能力を得ることができます。この特性はコア材料の効果を高め、特に生物医学分野や医薬品など、膨大な数の用途への扉を開きます。この構造はこの研究で初めて提案されました。

ナノ粒子を合成するには、パルスレーザー蒸着、ゾルゲル調製、化学共沈、熱分解、水熱法などを含む数多くの技術があります8、25、26。最近では、費用対効果、環境への優しさ、高価な機器の必要性のなさなど、多くの利点があるため、液中パルスレーザーアブレーション (PLAL) とプラズマジェット技術を含むハイブリッド方法が使用されています 27,28。また、数個のミントを準備するだけで、長い時間も必要ありません。 PLAL ナノ材料製造の主なメカニズムは次のように説明できます。レーザーと物質の相互作用 (材料によるレーザーパルスの吸収)。プラズマプルームの形成、膨張、冷却。衝撃波の発生。液体媒体中での気泡の形成、膨張、崩壊14、15、16、17。一方、プラズマジェット技術では、大気圧の非熱プラズマ源によって生成される広範囲の活性酸素および窒素種 (RONS) がこの用途にとって重要です 22,29。プラズマで生成された RONS は液体の化学組成を変化させるため、プラズマと液体の相互作用はナノ材料の生産において重要です 29、30、31、32、33。オゾン、一重項酸素、過酸化水素、ヒドロキシルラジカル、および一酸化窒素は、血漿と液体の相互作用中に生成される一般的な RONS のほんの一部です 8,34。

アルコールとベタジン（ポビドンヨード）は、あらゆる種類の細菌、ウイルス、真菌、その他の微生物を除去できる強力な殺菌剤です35。 Lavelle らによると、一部の患者のヨウ素吸収が原因不明の異常や腎不全を引き起こしたとのことです 36。この溶液は乾燥した皮膚に安全に使用できますが、傷口に適用すると、一部の使用者にアレルギー反応を引き起こし、重度の刺激を引き起こす可能性があり (Hwang et al., 1986)、さらに治癒プロセスを遅らせて瘢痕を残します37。。さらに、外科的切開や火傷などの傷には適用すべきではなく、ヨウ素は妊婦によって吸収され、胎児に悪影響を及ぼします。しかし、抗生物質に関する問題は、耐性株の出現と、微生物株が 1 つ以上の抗生物質に対して耐性を持つ可能性があることです。栄養組織が感染すると、耐性のある傷が急速に広がり、患者が死亡する場合もあります。地震、洪水、大規模火災などの深刻な危機により、病院内で表層および深層の傷を負った多数の患者が突然発生した場合、持続的な緊張を制御し、流行を防ぐことが特に困難になります38。

研究者らは現在、健康に対する地域社会の意識の高まり、ベタジンとアルコールの明らかな欠点、多剤の開発により、一般的な抗菌剤に代わる、または耐性株の蔓延を防ぐために時折使用する、代替の新しい抗菌剤に注目を集めています。いくつかの薬剤に対する耐性微生物19,39。ナノテクノロジーは、生物物理学、分子生物学、生物工学などの基礎科学と応用科学を組み合わせた学際的な分野です40。サイズ縮小は、薬局において幅広い用途を持つ基本的な単位操作です41,42。

私たちの知る限り、ZnO@NiO (ZNO) コアシェル NP 構造を合成した研究はありません。さらに、2段階PLALとプラズマジェットを含むコアシェル構造の新しいハイブリッド合成法を提案します。この研究の主な目的は、ZNO NPを合成し、抗菌剤として使用し、細胞に対するその効果を測定することです。これは、大腸菌 (グラム陰性) および黄色ブドウ球菌 (グラム陽性) に対する ZNO NP の効果に関する最初の研究でもあります。また、蛍光顕微鏡画像を使用して、処理前後の細菌株を示しました。調製した NP の形態的および光学的特性は、TEM、FESM、AAS、EDX、XRD、および UV-Vis を使用して調査されます。

ZNO コアシェル NP を調製するために、ハイブリッド技術と呼ばれる新しい技術が使用されています。これには 2 つのステップが含まれます。まず、Ni 金属ペレットを遠位水に浸し、Nd:YAG レーザーで 800 mJ で 10 分間アブレーションしました。次に、Ni ペレットを Zn ペレットに置き換え、同じ媒体 (NiO NP コロイド) 中で 12 kV、3 m3/s のプラズマジェットを 10 分間使用してアブレーションしました。ハイブリッド技術により、ZnO@NiO (ZNO) コアシェル NP の形成に成功し、明らかな色の変化が見られました (図 1)。 NiO NP は最初に遠位水中で合成され、水の色は淡黄色の透明なコロイド (透けて見える) に変化し、次に、 ZNO コアシェル (図 1d)。各粒子の濃度は AAS を使用して測定されました。このプロセスでは、ZnO がコア、NiO がシェルになります。形成プロセスは次のように説明されます。水中でのレーザーアブレーションサイクルは、液体媒体に浸されたターゲット表面にレーザービームを照射することから始まります。レーザービームによって即座にプラズマが生成され、これを「レーザー誘起プラズマ」と呼び、固体ターゲットの表面を除去します。液体雰囲気中でプラズマが発生した後、血漿は液体媒体によって直ちに閉じ込められます。したがって、レーザー誘起プラズマの熱力学的状態はまったく異なります18,43。次に、ターゲットから除去された原子が水中で凝集し、ナノ粒子を形成します。プラズマジェットの場合、生成されたプラズマはコロイド溶液の水と NiO NP をイオン化し、Zn 表面層の膨張を引き起こし、小さなイオンが Zn の層間に容易に収容できるようにします。これにより、格子空間が拡大し、大きな効果が得られます。急速加熱による層状物質の劈開。そのため、熱によるインターカラントの劇的な膨張の結果、バルクの層状材料が剥離してより小さな層またはナノサイズの小板になります。これらは、すぐに NiO イオンに囲まれ、ZNO コアシェル NP を形成した ZnO NP です。

NiO および ZNO NP コロイドを調製するためのハイブリッドアプローチの図: (a) PLAL による NiO コロイド、(b) プラズマジェットを使用した ZNO NP コロイド、(c) コアシェル粒子のスキーム構成、(d) 調製されたコロイドの写真NiO および ZNO NP の評価。

透過型電子顕微鏡 (TEM) を使用して、調製した ZNO NP の構造を示しました。これは、コアシェル構造の形成を確認します。図2aおよびbに示すように、暗い点はZnO NP（コア）であり、NiO NP（シェル）を表す明るい点で囲まれています。また、ZnO を添加する前に NiO のみについて TEM を撮影し、その画像を図 S3 に示します。これにより、光スポットが NiO NP であることが確認されます。これらの画像から、以下の範囲の非常に小さな粒子が形成されていることが明らかでした。サイズは 20 ～ 100 nm、平均粒子サイズは 50.9 nm、ほぼ球形です (図 2c を参照)。表示されている NiO 粒子はイオン化されているため非常に小さく、PLAL 部分に形成されたクラスターは壊れています。プラズマジェット技術の効果により、図2eとfに示すFESEM画像は、形成されたコアシェルNPの形態と分布を示しています.均一な分布を示し、楕円形をしています.また、どの程度の量のコアシェルNPが形成されているかも示していますNiO NP は ZnO NP を覆い、その粒子がどの程度小さいかを示します EDX マッピングとスペクトルの結果は、図 3 に示すように、ZNO コアシェル NP の形成が成功したことを示しています。ニッケルアノ粒子の形成と図3cは、それぞれバラ色、緑色、黄色で示された酸素の均一な分布を示しており、これはZnOのNiOによるカプセル化が成功したことを示唆しています。図3dに示されているように、コロイド溶液中には非常に少量のNiOが存在しており、これはそれがZnOのシェルに変換されたことを確認しています。 ZnO のこの結果は、S. Sardar らによってエージングされました。この結果は球状の形成も示しています44。この結果は AAS の結果とも一致しており、ZnO については 50 ppm、NiO については 5.8 ppm が得られますが、PLAL 後に NiO を測定すると 60 ppm となり、これもまた別の指標となります。使用したコロイド中の濃度が高いため、すべての ZnO 粒子が NiO 粒子で覆われていることがわかります。

(a) 80 nmでの調製されたZNO NPのTEM画像、(b) 30 nmでの調製されたZNO NPのTEM画像、(c) ZNO NPのヒストグラム、(d) ZNO NPのEDXスペクトル、(e)および( f）200 nmでのZNO NPのFESEM画像。

ZNO NP の EDX マッピングと EDX スペクトル、(a) Zn の EDX マッピング、(b) Ni の EDX マッピング、(c) O の EDX マッピング、(d) ZNONP の EDX スペクトル。

図 4 は、ZNO コアシェル NP の XRD パターンと、ZnO と NiO6 の両方の標準 XRD データを示しています。回折ピークは 2θ = 31.856°、34.52°、36.346°、47.616°、56.652°、66.412°、68.035°、69.221°で観察され、ミラー指数 (100)、(002)、(101)、それぞれ (012)、(110)、(200)、(112)、(201)。 30 ～ 40°の間の最も高い回折パターンはウルツ鉱型 ZnO の形成を示しており、これは JCPDS 96-900-4181 と一致していました。回折パターンは、JCPDS 96-432-9326 に従って、それぞれ (202)、(311)、および (222) 面に対応する 2θ = 62.945°、75.435°、および 79.621° のピークが観察され、NiO の形成を示しています。。また、これは NiO の立方晶相結晶子を示しており、これは M.Patel et al.45 の最初のステップと一致しています。平均結晶サイズは、Debye-Scherrer 式を使用して決定されました。 (1)、ZnO NP は 13.81 nm、NiO は 11.08 nm、ZNO NP では 13.059 nm です (表 S1、XRD ピークの詳細を参照)。これらの結果は、FESEM の結果と一致するナノメートルサイズの粒子の形成が成功したことを示しています。この結果は、Cheng ら、Gnanamozhi らの結果とよく一致しました。およびXieら21、46、47。図3aおよびb（標準データ）と比較した図3c〜図3cの差異パターンは、ZnOピークとNiOピークの両方との一致を示しており、それらの間に化学反応が存在せずにコア/シェルが形成されたことが確認されます。

調製したサンプルの XRD パターン、(a) ZnO の XRD、(b) NiO の XRD、(c) 合成された ZNO コア/シェル NP の XRD。

ZNO コアシェル NP の光吸収は紫外可視分光光度計を使用して測定され、吸収やエネルギーバンドギャップなど、調製された NP の物理的特性に関する情報が得られました。図 5a と b は、それぞれ ZnO と NiO の吸収とバンドギャップを示し、調製したコア/シェルと比較しています48、49。図 5c は、ZNO コアシェル NP の吸収を示しています。スペクトルは、光が吸収されるエッジの小さなシフトが Ni の添加によって引き起こされることを示しています。裸の ZnO のスペクトルと比較すると、紫外領域に強い吸収と赤方偏移があることがわかります。これは、sp-d 交換を介した ZnO イオンと NiO イオンの相互作用によるものと考えられます50。 NiO を添加した後、ZnO が可視スペクトルの赤色端に向かって光を吸収する方法に大きな変化が見られ、光が内面に広がり、何度も反射するため、光触媒作用や抗菌作用に優れています 26。 ZnO の励起係数はその吸収係数に直接関係します。 ZnO ナノ粒子の吸収端が大きくなると、光学バンドギャップエネルギーと通過できる光の量が減少します 21。さらに、hv 対 (αhv)2 曲線の外挿を使用して、準備されたサンプルのエネルギーバンドギャップを決定しました。製造されたサンプルの光エネルギーバンドギャップは、Tauc 関係などのいくつかの技術を使用して確認できます。 Tauc の関係式は (αhυ)n = A(hv Eg) です。ここで、hυ は光の離散エネルギーバンドギャップを表し、α は吸収を表し、A は局在状態の尾部の長さに依存する定数を表します。 Eg は光エネルギーのバンドギャップを示します。バンドギャップ値は、図5d8に示す曲線上に直線を引き、X軸でhと交わることによって得られます。 NiO NP が ZnO NP のシェルとして使用される場合、光学バンドギャップエネルギーは 3.19 eV (純粋な ZnO) から 2.966 eV に低下します。 NiO (シェル) を追加した後、バンドギャップが縮小しました。これは、Ni2+ イオンが価電子帯の欠陥サイトとして機能し、バンドギャップを減少させることを示しています。量子閉じ込め効果は、バンドギャップエネルギーの減少と粒子サイズの増加を説明できます。粒界は光学バンドギャップエネルギーと透過率の低下に重要な役割を果たし、これにより粒界の密度が高まり、光触媒作用や抗菌作用に有利になります。光触媒による分解率は、超音波処理プロセスにより相互作用と多重反射効果が増大することにより急速に増加します。この発見は、P. Gnanamozhi らの発見とよく一致しました。およびS. Al-Arikiら21,26。

NP の光学特性 (a) ZnO の光吸収、(b) ZnO のバンドギャップ、(c) NiO の光吸収、(d) NiO のバンドギャップ、(e) 調製された ZNO の光吸収NP、(b) ZNO NP の光学バンドギャップエネルギー。

液体と固体の界面における CA は、生体材料の in vitro での湿潤性を評価するために使用されます。低い CA は、表面が濡れ性または親水性が高いことを示し、その結果、固体表面を覆う連続的な液体膜が形成されます。固体表面の濡れ具合には、固体の表面張力、液体の表面張力、界面張力という 3 つの力が影響します51,52。図6は、調製したZNO NPコロイドのCAを示しています。これは15.08から14.12の間にあるようで、これは優れた結果であり、より高い湿潤性を示す超親水性と呼ぶことができます。したがって、コロイドの CA は低くなります。したがって、コロイド中のNPは界面張力が小さく、粒子内に凝集がないことを意味するため、CAが減少し、表面の濡れ性が増加します。しかし、コアシェルでは、CA が低い分子間では引力が低くなり、表面の張力が減少しました 51。さらに、この結果は、コア粒子間の引力を減少させるシェルによる粒子内の凝集の低下を示す TEM および FESEM の結果と一致しました。

調製されたコロイド (ZNO NP) の CA。

CAの結果は、調製されたZNO NPが、重要な生体材料特性である優れた湿潤性により、高い生体適合性を有することを示した。最後に、湿潤性が高いということは、コロイドがより広い領域をカバーしていることを示しており、これは強力な抗菌活性の兆候であり、多くの生物学的用途にも適しています。

抗菌活性は、大腸菌と黄色ブドウ球菌の 2 種類の細菌に対してウェル拡散法を使用して研究されています。 ZNO NP には 3 つの希釈濃度 (25、50、および 75 μg/mL) が使用され、NP 濃度が細菌にどのような影響を与えるかを示します (図 S4 を参照)。調製されたコロイド状 NP の阻害ゾーンを表 1 に示します。グラム陰性菌とグラム陽性菌の両方について、NP 濃度の増加とともに阻害ゾーンが増加しました。調製された NP の抗菌活性は、NP 表面と細胞壁構成成分の間の相互作用により発生しました。したがって、構造変化は細胞膜によるものである可能性があります53。

しかし、グラム陰性菌は、外膜のリポ多糖とペプチドグリカンの薄層で構成されており、高分子や疎水性薬剤に対する主要な透過性障壁として機能します。それに対して、グラム陽性菌は、細胞を取り囲む膜と、主にペプチドグリカン層、タイコ酸、リポテイコ酸で構成される細胞壁という単純な構造を持っています。したがって、グラム陽性菌の阻害ゾーンはグラム陰性菌の阻害ゾーンよりも大きくなります54。細胞膜への損傷は、NP との直接接触によって引き起こされました。細胞表面から余分なカルボキシル基が除去されているため、細菌細胞は全体として生理学的 pH 53、55 で負電荷を持っています。したがって、陽性の NP は陰性の細胞表面に静電気的に結合し、細胞活性が低下します。 NP の浸透と毒性により細胞が死滅し、溶解されました。いくつかの研究では、NP のサイズが小さいことが細菌膜の透過に役立つ可能性があることを示唆しています。外細胞膜にはナノメートルサイズの細孔があり、NP はそこを貫通できます 56,57。したがって、膜の物質移動は制御されません。 NP は、スーパーオキシド (O2-) ラジカルやヒドロキシル (OH-) ラジカルなどの活性酸素種 (ROS)、または直接的な細胞損傷を介して細胞膜に損傷を与えます。金属酸化物 NP は、細胞に損傷を与えるスーパーオキシドとヒドロキシルラジカルを生成します。 ROS はリン脂質の二重結合を酸化し、膜の流動性と浸透圧ストレスを増加させます。 ROS は鉄硫黄酵素補因子を損傷する可能性があります。 NP のサイズ、濃度、増殖培地中の安定性は、殺菌活性に影響します 58,59。

ZNO NP の阻害率は式 1 を使用して決定されました。 (2) を図 7 に示します。結果は、すべての濃度で良好な阻害率を示し、大腸菌ではそれぞれ 62.8、71.2、および 80.8、黄色ブドウ球菌では 55.6、64.4、および 82.4 でした。これらの結果は、NiO NP (シェル) が緊密に接触することにより、ZnO NP (コア) が膜と緊密に接触し、収縮した細菌の破裂を誘導できることによるものです。細菌の表面に ZnO NP が沈着または蓄積すると、細胞傷害性細菌が発生し、細胞内の ZnO 濃度が相対的に増加し、細胞死につながります。さらに、ZNO コアシェル材料を使用すると、細菌が培地中で栄養を得ることができなくなります 55,60。さらに、NiO は細胞の挙動を通じて変化し、ZnO (コア) が細菌バリアを通過して粒子を広範囲に分散するのを助けます。また、ZNO NP は、細胞がヘムタンパク質を適切に機能させ、細胞が鉄イオンを取得するために必要なヘム成分の生成と分解を困難にする可能性があります。これらの可能性は、A. Kubacka らによって実証され、証明されています。研究61。したがって、金属酸化物を他の金属酸化物または他の材料でコアシェルすることにより、単独で使用する場合よりも高いレベルの抗菌活性が向上します。この結果をKS Khashanらの結果のような別の結果と比較すると、我々の結果は、調製されたNPについてより高い阻害ゾーンを示している53。さらに、P. Gnanamozhi らと比較すると、グラム陰性菌およびグラム陽性菌に対して Ni ドープ ZnO NP を使用した研究では、グラム陰性菌に対する最大抑制は 15 mm でしたが、私たちの研究では 20.2 mm21 に達しました。

ZNO NP の阻害効率。

図8に示すように、アクリジンオレンジ/臭化エチジウム(AO/EtBr)二重染色を使用して、どの細菌株が生存し、どの細菌株が死滅したかを決定した後、蛍光顕微鏡を使用して、S上で生成されたナノ粒子の抗菌活性をテストしました。黄色ブドウ球菌と大腸菌の細菌株。アクリジンオレンジが生きている細菌の核酸に結合すると、緑色の蛍光を発します（図8aおよびc）。一方、臭化エチジウムは主に死んだ細菌の核酸に結合し、赤またはオレンジ色の蛍光を発します（図 7b および d）62,63。したがって、生きている細胞の色は緑色になりますが、死んだ細胞の色は赤色になります。図 8a および c では、両タイプの細菌株のすべての未処理細菌細胞が緑色の蛍光を発し、その生存能力を示しています。 ZNO NP で処理すると、ほぼすべての細胞が赤くなり、未処理の細胞よりも多くの細胞が死滅していることがわかります。したがって、ZNO NP は両方の種類の細菌に対して最も効果がありました 64。細胞膜構造の変化により、ナノ粒子は大腸菌よりも黄色ブドウ球菌に大きな影響を与えました。ナノマテリアルは、内因性および外因性の害を含むさまざまな方法で細菌の DNA を破壊する可能性があります。活性酸素種 (ROS) は、内因性の発生源が攻撃すると形成される可能性があります。正常な細胞代謝により、細胞内で ROS が生成されます 65。これらのフリーラジカルは非常に不安定で、一瞬のうちに他の物質と反応してしまう可能性があります。フリーラジカルと DNA は、遺伝毒性損傷を引き起こす一連の出来事を引き起こしました66。細菌に対するナノ粒子の殺傷メカニズムを図 9 に示します。

黄色ブドウ球菌および大腸菌の蛍光顕微鏡画像。(a) および (c) はそれぞれ対照細菌株、(b)、(d) は ZNO NP で処理した細菌です。

細菌に対するナノ粒子の殺菌メカニズムの図。

白血球の細胞生存率に対する NP の効果は、ELISA マイクロプレート分光光度計を使用して測定されています。生体系および細胞に対するナノマテリアルの活性は、生体材料の要件にとって重要な要素であり、そのためナノマテリアルは医療用途に適しています。したがって、ZNO コアシェル NP に対する白血球の応答は、NP に 24 時間曝露した後の MTT アッセイによって調査されました。MTT の紫色は、ナノマテリアルの割合が増加するにつれて明るくなります。細胞は減少しました（図S5を参照）。図 10 は、式 1 を使用して決定された、さまざまな濃度 (0、25、50、および 75 μg/mL) での調製された NP の細胞生存率を示しています。 (3)。 ZNO NP 濃度 (75 g/mL) での最小細胞生存率は 50.73% ですが、これはまだ許容範囲内です。さらに、より低い濃度を使用して ZNO NP の効果を得ることができ、良好な細胞生存率と低い細胞生存率を示します。細胞毒性。さらに、ZNO NP の毒性は高濃度の ZnO によるものである可能性がありますが、一部の研究では、ZnO 濃度の増加により細胞周囲の PH の変化により細胞損傷が増加することが示されています55。

ZNO NP の細胞生存率。

提案された新しいハイブリッド技術は、ZNO NP のコアシェルの形成に成功しました。その結果に基づいて、NiO (シェル) が効果的な安定剤として機能し、ZnO の結合を防ぐため、調製された ZNO NP はサイズが小さく、均一に分布し、凝集がありません。コア）が互いに接触してコーティングされるのを防ぎます。 ZNO NP のコアシェルの形成は、XRD、FESEM、TEM、および EDX によって確認されます。CA の結果は、調製された ZNO NP が生体材料の重要な特性である優れた濡れ性により、高い生体適合性を有することを示しました。また、濡れ性が高いということは、コロイドがより広い面積をカバーしていることを示しており、これは強力な抗菌活性の兆候であり、多くの生物学的用途にも適しています。また、蛍光顕微鏡画像により、ZNO NP を使用した場合の細菌の死が確認されました。結果は、調製されたZNO NPが、低濃度であっても、グラム陰性菌とグラム陽性菌の両方に対して優れた抗菌活性を有することを示しています。したがって、金属酸化物を別の金属酸化物または他の材料でコアシェル化すると、その抗菌活性がより高いレベルに向上します。単独で使用するよりも。最後に、PLAL は拡張性が高く、コスト効率が高く、環境に優しい NP 合成方法であり、調製されたコアシェル NP は、ドラッグデリバリー、がん治療、さらなる生物医学的機能化などの他の生物学的用途に使用できる可能性があります。

ニッケルおよび亜鉛のパレットは、Sigma-Aldrich から購入し、純度 99.98% (両方のパレットの XRD 結果を図 S1、S2 に示します)、厚さ 1 mm です。 1 cm × 1 cm の寸法のニッケルがレーザーターゲットとして使用され、1 cm × 4 cm の寸法の亜鉛がプラズマジェットターゲットとして使用されました。この研究では、ミリポア浄水システムを使用して蒸留された蒸留水を使用しました。

ニッケルと亜鉛のターゲットは、イラクのバグダッド大学物理学部プラズマ研究室でサンディング（空間紙による）と専門の超音波洗浄機を使用して表面から汚染を除去するために精製されます。レーザーアブレーションは、1064 nm の波長で動作する Q スイッチ Nd:YAG を使用して実行されました。アブレーションには、繰り返し周波数 7 Hz、パルス幅 10 ns の 800 mJ のレーザーエネルギーが使用されました。レーザーアブレーションを実行するには、焦点距離 9 cm、スポットサイズ 2.5 mm の正レンズを使用してレーザービームをターゲットに集束させました。プラズマジェットには、アルゴンガス (純度 99%) と、10 ～ 20 kV の範囲でローカルに作られた高電圧電源が含まれています。原子吸光分光法 (AAS-Perkin Elmer、Analyst 400、2014) を使用して、コロイド溶液中に存在する NP の濃度を測定しました。これは、10 億分の 1 の範囲 (ppm = μg/mL) で原子数を測定します。バグダッド大学生命科学部。 AAS 測定は各サンプルに対して 3 回繰り返され、平均がとられました。 X 線回折 (XRD) を使用して、kα-Cu ターゲット (λ = 0.15406 nm、チューブを 45 kV で動作させ、スキャンを使用) を使用して生成された ZnO@NiO (ZNO) コアシェル NP の結晶構造を調べました。 20°～70°の2θ範囲にわたって取得されました）。粒子サイズの計算には、次の Debye-Scherrer 式が使用されました 16,67。

ここで、D は平均結晶サイズ、β は半値全幅、k はシェラー定数 (0.9)、λ は X 線定数 (0.15406 nm)、α はブラッグス角です53。光学特性は、工科大学レーザー・オプトエレクトロニクス工学部にある 100 ～ 1000 nm の範囲で UV-Vis 分光光度計モデル (Metertech、SP8001 分光光度計、日本) を使用して測定されました。 DayPetroinc Co のエネルギー分散型 X 線技術 (EDX) を備えた JSM-IT800 (オリジナル) を利用して、電界放射型走査電子顕微鏡 (FESEM) を使用して、製造された NP の表面形態、粒子サイズ、および化学組成を評価しました。 Ltd. イラン、テヘラン。透過型電子顕微鏡 (TEM、Zeiss、ドイツ) は、イラン、テヘランの DayPetroinc Co. Ltd で、粒子のサイズと形状、およびコアシェルの成長を研究するために使用されています。

ZNOコア@シェルは、ハイブリッド技術を使用して合成されました。PLAL技術を使用してニッケルターゲットを蒸留水中で室温で10分間アブレーションし、その後、NiO NPを含む生成されたコロイドを使用し、チタンターゲットをその中に浸漬しました。亜鉛ターゲットは、プラズマジェット技術を１０分間使用し、３Ｌ／分のガスフォローラットを使用してアブレーションされた。

2 つの臨床分離株、大腸菌 (グラム陰性) と黄色ブドウ球菌 (グラム陽性) を使用して、ZNO NP の抗菌活性を評価しました。これら 2 つの細菌分離株をミュラー・ヒントン寒天培地に移し、37 °C で一晩インキュベートし、必要になるまで 4 °C の冷蔵庫に保管しました。マイクロピペットチップを使用して、寒天培地の表面に直径約 6 mm のウェルを作成し、その後、さまざまな濃度の NP 懸濁液で満たしました。これらのプレートを 24 時間インキュベートしました。 ZNO NP の抗菌効果は、定規を使用してさまざまな方向から阻害ゾーンの幅を測定することによって決定されました。すべての実験は二重に行われ、精製水がネガティブコントロールとして機能しました68。抗菌活性パーセンテージ (%) は、次の式 18 を使用して計算されました。

この研究で使用される標準は、25 mm の阻害ゾーンを持つ 250 μg のエモキシリアン抗生物質です。

膜の完全性に基づいて細菌株が生きているか死んでいるかを判断するために、蛍光顕微鏡イメージングを使用して、大腸菌および黄色ブドウ球菌に対する調製されたままのNPの抗菌活性を調べました。細菌が死んだときに赤色の蛍光を発する臭化エチジウム (EB) とは対照的に、緑色の蛍光を発するアクリジンオレンジ (AO) は、生きている細菌株を染色するために使用されました。簡単に言うと、NP で処理する前後に大腸菌と黄色ブドウ球菌をエッペンドルフに入れました。その後、１０μｇ／ｍｌのＡＯ／ＥＢを加え、２分間放置した。細菌が色素を漏らす前に、サンプルを直ちに蛍光顕微鏡で検査しました。

細胞生存率試験は、高度な無菌条件下でヒト白血球（血液は 25 歳の健康なボランティアから採取）を使用して調査されました。ウェルプレート内の 1*104 細胞/mL の密度の白血球を NP に曝露し、37 °C で 24 時間インキュベートしました。その後、プレートを注ぎ出し、ＰＢＳで３回洗浄して、痕跡量のＮＰを除去した。次に、10μLのMTT色素溶液をウェルプレートに添加し、37℃で4時間インキュベートした。過剰な色素が除去されるまで、細胞をＰＢＳで数回洗浄した。プレートが完全に乾燥した後、ELISAマイクロプレート分光光度計を使用して500nmの波長で結果を読み取った。細胞の総数に対する生細胞の割合を使用して、細胞生存率を計算しました。このパーセンテージは、次の方程式を使用して計算されました18:

すべての手順は、イラク工科大学、バグダッド、レーザーおよび光電子工学部バイオテクノロジー部門のヒューマン・ケアおよび倫理委員会によって承認された番号（UOT-LOEE-17082020）のガイドラインに従って実行されました。

国立衛生研究所および食品医薬品局の方法、および倫理原則の表明としての 1975 年のヘルシンキの宣言および規制に従って、健康なドナーから新鮮な血液サンプルが採取され、ヘパリンでコーティングされたチューブに分配されました。許可はイラクのバグダッドにある医療都市の病院から得られ、イラクのバグダッド工科大学の組織倫理委員会によって承認されました（参照番号 LOEE 13–17–08–2020）。データやサンプルの収集を開始する前に、研究参加者には研究の価値について説明を受けました。研究参加者からインフォームドコンセントおよび/または同意を得た。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、バグダッド大学理学部物理学科プラズマ物理学研究室から必要な機器と装置を提供して支援されました。

これらの著者は同様に貢献しました: Hadeel J. Imran と Kadhim A. Aadim。

イラク工科大学、バグダッド、イラク、レーザーおよび光電子工学部

ハディール・J・イムラン＆カディム・A・フバティル

バグダッド大学理学部物理学科（バグダッド、イラク）

カディム・A・アディム

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HJI と KAA、; 方法論、リソース、調査、HJI。ソフトウェア、正式な分析、データキュレーション、執筆—原案の準備、KAH。執筆 - レビューと編集、KAH および KAA。監督、プロジェクト管理。すべての著者は原稿の出版版を読み、同意しました。

カディム・A・フベアティルへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Imran, HJ、Hubeatir, KA & Aadim, KA 液体中のパルスレーザーアブレーションおよびプラズマジェット技術を使用した、ZnO@NiO コアシェルナノ粒子合成の新しい方法。 Sci Rep 13、5441 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-32330-z

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受信日: 2023 年 1 月 12 日

受理日: 2023 年 3 月 26 日

公開日: 2023 年 4 月 3 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32330-z

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