Sonochemically grown zno nanorods and their antibacterial properties

Abstract

Tıbbi cihazların kullanımı son çalışmalar neticesinde önemli ölçüde artmıştır. Bununla birlikte, bu tür biyomedikal cihazların başarısı yüzeylerine bakterilerin yapışması sonucu oluşan implant ile ilişkili enfeksiyonları ile düşük sevinede kalmiştir. Yüzeyine bakteri bağlanan implant cihazlar, bağışıklık sistemi ve geleneksel antibiyotiklerin yapacağı herhangi bir saldırıya karşı dirençli hale gelirler. Böyle bir durumda cihazın çıkarılması zorunlu bir seçenek haline gelir. implant ile ilişkili enfeksiyon sorunlarının üstesinden gelmek amacıyla, kaplama stratejileri geliştirilmiştir. Antibakteriyel özelliklere sahip nanomalzemelerin kullanımı, implant ilişkili enfeksiyon sorunlarını çözmek için önerilen stratejilerden biridir. Çinko oksit (ZnO), yoğun antibakteriyel aktivitesi özelliği olan bir inorganik bileşik olarak bilinir. Farklı araştırmacılar çeşitli tekniklerle ZnO nanoyapıları üretmiş ve bunların antibakteriyel aktivitelerin incelemişdir. Bu çalışmada, ZnO nanoçubuklar başarılı bir şekilde, basit, hızlı ve düşük maliyetli bir yöntem olan sonokimyasal metot kullanılarak, cam alt-tabakalar üzerinde sentezlendi ve bunların antibakteriyel etkisi iki farklı bakteriye karşı test edildi Escherichia coli, bir gram-negatif bakteri ve Bacillus subtilis, bir gram-pozitif bakteridir. Deney değişkenleri ayarlanarak, beş farklı örnek üretilmiştir. Daha uzun tutulan reaksiyonlar sonucu üretilen nanoçubuklar, kısa sürede üretilenlere kıyasla daha yoğun bir şekilde yüzeyi kaplamışlardır. Aynı zamanda, büyütme çözeltisini yenilemenin, sürekli aynı çözeltide büyütmeye oranla daha ince ZnO nanoçubuklar üretmeye sebep olduğu görülmüştür. Sonokimyasal metotla sentezlenen ZnO nanoçubukların antibakteriyel aktivitesini incelemek için uç farklı örnek kullanılmıştır. Her uç örnek test edilen uc değişik bakteriye karşı antibakteriyel aktiviteyi belirli düzeyde göstermiştir. Kontrol olarak kullanılan cam alt-tabaka ile karşılaştırıldığında bakteriyel hücrenin ZnO nanoçubuklarla kaplanmış alt-tabakalar üzerinde yaşayabilirliğinin daha düşük olduğu bulunmuştur. Ayrıca, inkübasyon süresi artırılarak ZnO nanoçubukların bakteri hücresine daha fazla temas halinde olması sebebiyle toksisitenin artmaya eğilimli olduğu saptanmıştır. Ancak, sonokimyasal metotla büyütülen ZnO nanoçubukların toksisitesi kullanılan iki farklı bakteriye karşı benzer bir seyir takip etmez. Örnek1 (30 dk, %50 genlik), gram-negatif E.coli'ye karşı daha yüksek bir toksisite göstermiştir, örnek2 (15+15 dk, %50 genlik) ise gram-pozitif B. subtilis'ye karşı daha yüksek bir toksisite göstermiştir. Bu tezde, sonokimyasal yöntemin çeşitli uygulamalarda kullanılmak üzere ZnO nanoçubuklar sentezi için basit, hızlı, ölçeklenebilir ve çevreye zararsız bir teknik olduğu tespit edildi. Çıkan sonuçlar neticesinde, bakteri öldürücü etkiye sahip tıbbi cihazları kaplamak için potansiyel bir aday olan ZnO nanoçubukların sonokimyasal yöntenle büyütülebileceği görulmustur.

The use of medical devices have significantly increased in the recent decades. However, the success of such devices is being hindered by the implant-associated infections caused mainly by bacterial adhesion to the surface of biomedical devices. Bacteria, when attached to the surface of implant devices, become resistant to any attack by the immune system and conventional antibiotics. In such situation removal of the device become the necessary option. To overcome the problem of the implant-related infections, coating technologies have been developed. The use of nanomaterials exhibiting antibacterial properties is one of the proposed strategy to tackle the problem of the implant-related infection. Zinc oxide (ZnO) is an inorganic compound which is widely known for its intense antibacterial activity. Various researchers have produced ZnO nanostructures with various techniques and their antibacterial activities were reported. In this thesis, ZnO nanorods were synthesized on glass substrates by a simple, fast and a cost efficient method, and their antibacterial effect was tested against two different bacteria; Escherichia coli, a gram-negative bacterium and Bacillus subtilis, a gram-positive bacterium. Before the growth of ZnO nanorods, ZnO seedlayer was first deposited on the substrate by sonicating the substrate in a solution of zinc acetate dihydrate in isopropyle alcohol. Growth of ZnO nanorods was done by sonication of substrate in a solution of zinc nitrate tetrahydrate and hexamethylentetraimine in deionized water. Five different samples were grown by changing the growth condition. The results indicated that the longer reaction time at the maximum amplitude exhibits the best result with the surface been densely coated with nanorods compared to those grown in the short time. It was also observed that the diameter of the ZnO nanorods decreased by refreshing the growth solution, and increased in the continuously grown sample. The size of ZnO nanorods was also found to decrease by increasing the ultrasonic amplitude. In this study, three different samples were used to study antibacterial activity of the sonochemically synthesized ZnO nanorods. Both samples demonstrated some certain level of antibacterial activity against the two different bacteria. It was found that the viability of the bacterial cell was reduced on ZnO nanorods-coated substrates compared to those samples grown on glass. It was also observed that the toxicity tends to increase by increasing the time of incubation which allows the ZnO nanorods to complete dissolve and also penetrate deeper into the bacterial cell. However, the toxicity of the sonochemically grown ZnO nanorods does not follow similar trend for two different bacteria. while the 30 min continuously grown sample showed higher toxicity towards the gram-negative E.coli, the 15+15 min sample demonstrated a greater toxicity against the gram-positive B. subtilis. The 60 min sample grown at 100% amplitude showed the highest toxicity towards both E.coli with 95% toxicity and B. subtilis with 100%. The overall result showed that the the antibacterial action of the ZnO nanorods was more effective on gram-positive B.subtilis compared to the gram-negative E.coli.In this thesis, the sonochemical method was found to be a simple, and fast, technique for the synthesis of ZnO nanorods. The results also suggest that further investigation on the mechanism of antibacterial action of ZnO nanorods could serve as a potential candidate for medical devices coating with bactericidal effect.