Nieuw ontworpen nanokristallen kunnen bacteriën doden onder zichtbaar licht

Nieuw ontwikkelde halogenide perovskiet nanokristallen (HPNC’s) tonen potentieel als antimicrobiële middelen die stabiel, effectief en gemakkelijk te produceren zijn. Na bijna drie jaar hebben Rice University-wetenschapper Yifan Zhu en collega’s een nieuwe HPNC ontwikkeld die effectief is in het doden van bacteriën in een biovloeistof onder zichtbaar licht zonder de door licht en vocht veroorzaakte afbraak te ervaren die gebruikelijk is bij HPNC’s.

Een nieuwe methode met twee lagen siliciumdioxide die Zhu en collega’s gedurende jaren van werk ontwikkelden, werd gebruikt in experimenten met op lood en bismut gebaseerde HPNC’s om hun antimicrobiële werkzaamheid en stabiliteit in water te testen. De studie is gepubliceerd in Nano-brieven.

HPNC’s hebben unieke optische en elektrische eigenschappen die ze veelbelovende kandidaten maken voor zonne-energietoepassingen, bioimaging en fotokatalyse, de versnelling van chemische reacties veroorzaakt door licht in de aanwezigheid van een katalysator. Eén zo’n reactie is de productie van reactieve zuurstofsoorten die biologische verontreinigingen in vloeistoffen kunnen inactiveren. Perovskieten zijn echter zeer gevoelig voor afbraak in water en biologische vloeistoffen, waardoor hun potentieel in biomedische toepassingen wordt beperkt.

“Het nadeel van deze materialen is de stabiliteit. Ze zijn goedkoop en gemakkelijk te maken, maar gevoelig voor degradatie”, zegt co-auteur Jun Lou, hoogleraar en universitair hoofddocent materiaalkunde en nano-engineering.

Het potentieel van HPNC’s om verontreinigende stoffen uit water te elimineren heeft de afgelopen jaren centraal gestaan, met toenemende zorgen over opkomende ziekteverwekkers en toenemende antibioticaresistentie. Uit onderzoek is gebleken dat HPNC’s bacteriën in waterige omgevingen kunnen doden door reactieve zuurstofsoorten te produceren bij blootstelling aan licht. Reactieve zuurstofsoorten zoals singletzuurstof en hydroxide reageren met de eiwitten, lipiden en genetisch materiaal in bacteriële cellen, waardoor ze effectief worden vernietigd.

In hun eerste pogingen om een ​​gecoate HPNC te produceren, gebruikten de onderzoekers een enkele laag siliciumdioxide, een materiaal dat de perovskiet zou beschermen en tegelijkertijd lichttransmissie mogelijk zou maken. Eén enkele laag had echter een beperkte effectiviteit, waarbij HPNC’s binnen één dag 63% van hun antimicrobiële vermogen verloren. Maar een dikkere laag zou het werkingsmechanisme van HPNC’s kunnen belemmeren of zelfs verhinderen.

“Overdracht van energie van perovskieten kan reactieve zuurstofsoorten produceren”, zegt Zhu, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Lou. “De uitdaging is om de juiste dikte te krijgen om de perovskiet te beschermen en toch energieoverdracht mogelijk te maken.”

Zhu en collega’s ontwikkelden vervolgens een methode die de HPNC’s bedekte met twee lagen siliciumdioxide. Na meerdere pogingen bedacht het onderzoeksteam een ​​strategie om consistent de optimale dikte voor beide lagen te verkrijgen.

“Twee lagen zijn effectiever dan één dikkere laag”, zei Lou. “Het is niet alleen een uitbreiding van de dikte. We hadden een strategie nodig omdat de coating op specifieke manieren moet worden verwerkt.”

Vervolgens testten de onderzoekers de antimicrobiële eigenschappen en duurzaamheid van hun nieuwe dubbelgecoate HPNC’s. Ze kozen voor lood en bismut omdat HPNC’s gemaakt met beide metalen zeer effectief zijn onder zichtbaar licht en singletzuurstof produceren in plaats van hydroxide, wat schadelijk kan zijn voor andere organismen.

Zhu en collega’s ontdekten dat beide HPNC-variëteiten zonder licht weinig tot geen antimicrobiële eigenschappen vertoonden. Onder relatief lage niveaus van zichtbaar licht vernietigden beide HPNC’s echter na zes uur meer dan 90% van de E. coli-bacteriën in de oplossing. Bovendien vertoonden beide HPNC’s zeer weinig degradatie gedurende de vierdaagse testperiode.

De dubbellaagse siliciumdioxidecoating bleek effectief in het beschermen van HPNC’s tegen afbraak en maakte tegelijkertijd energieoverdracht mogelijk; de onderzoekers merkten echter ook een bijkomend voordeel van de coating op. Uit analyse bleek dat de op lood gebaseerde HPNC’s na vier dagen in water slechts een kleine hoeveelheid lood in hun omgeving hadden uitgeloogd.

“De uitlooghoeveelheid lood lag ruim onder de limieten van de Wereldgezondheidsorganisatie”, zei Zhu.

De op lood gebaseerde HPNC’s hadden de beste antimicrobiële prestaties, maar de op bismut gebaseerde materialen presteerden ook goed.

“Het voordeel van bismut is het vermijden van het gebruik van lood, wat altijd een probleem is als het in het lichaam terechtkomt”, zegt Lou. “Je wilt de juiste balans vinden met een materiaal dat goed genoeg presteert en dat veilig is.”

De onderzoeksresultaten tonen aan dat HPNC’s bedekt met twee lagen siliciumdioxide potentieel kunnen worden gebruikt als fotokatalytische antimicrobiële middelen. Het elimineren van organische verontreinigingen zoals bacteriën in water maakt deze materialen een goede kandidaat voor gebruik bij waterbehandeling.

Verder onderzoek zou ook kunnen leiden tot HPNC’s die andere waterverontreinigingen kunnen aanpakken en in de toekomst zelfs in therapeutische toepassingen kunnen worden gebruikt. Dergelijke materialen zullen verder moeten worden getest onder reële omstandigheden in het veld en veiligheidstests moeten doorstaan. De bevindingen suggereren echter dat HPNC’s nuttig kunnen zijn in een verscheidenheid aan toepassingen.

“Na vele jaren van investeringen in onderzoek naar deze materialen naderen ze de realiteit”, zei Lou.