산화아연 나노입자의 특성과 미생물에 대한 활성

산화아연 나노입자의 항균 활성

산화아연 나노입자는 항균성이 있고 세포막으로 침투하여 미생물의 성장을 억제한다는 것은 보편적으로 알려져 있다. 산화 스트레스는 지질, 탄수화물, 단백질 및 DNA를 손상시킵니다[53]. 지질 과산화는 궁극적으로 중요한 세포 기능을 방해하는 세포막의 변화로 이어지는 가장 결정적인 것입니다[54]. 그것은 Escherichia coli에서 산화아연 나노입자를 포함하는 산화적 스트레스 메커니즘에 의해 뒷받침되었습니다. [55]. 그러나 벌크 산화아연 현탁액의 경우 H₂의 외부 생성 O₂ 항균 특성을 설명하기 위해 제안되었습니다 [56]. 또한 독성 이온을 방출하는 나노 입자의 독성이 고려되었습니다. 산화아연은 ​​본질적으로 양쪽성이므로 산 및 알칼리와 반응하여 Zn ²⁺ 을 생성합니다. 이온.

무료 Zn ²⁺ 이온은 단백질, 탄수화물과 같은 생체 분자와 즉시 결합하고 박테리아의 모든 생명 기능은 계속 중단됩니다. 산화아연, 아연 나노입자 및 ZnSO₄의 독성 ·7H₂ O는 Vibrio fischeri에 대해 테스트되었습니다(표 1). . ZnSO₄ ·7H₂ O는 산화아연 나노입자 및 산화아연보다 6배 더 독성이 있습니다. 나노 입자는 실제로 용해되지 않고 용매에 분산되어 있으므로 Zn ²⁺ 을 방출할 수 없습니다. 이온. Zn ²⁺ 의 생체이용률 이온은 항상 100%는 아니며 생리학적 pH, 산화환원 전위 및 Cl ^- 과 같은 이와 관련된 음이온에 따라 변함없이 변할 수 있습니다. 또는 SO₄ ²⁻ .

수성 매질에서 산화아연(1.6–5.0 mg/L)의 용해도는 조류와 갑각류에 유독한 동일한 매질에서 산화아연 나노입자(0.3–3.6 mg/L)보다 높습니다[57]. 나노 산화아연과 벌크 산화아연은 ​​모두 ZnSO₄보다 독성이 40~80배 낮습니다. 반대 V. 피셰리 . ZnSO₄의 더 높은 항균 활성 Zn ²⁺ 을 방출하는 용해도에 정비례합니다. 이온은 Zn ²⁺ 의 양전하로 인해 박테리아 세포의 생체 분자에 대해 더 높은 이동성과 더 큰 친화력을 가지고 있습니다. 및 생체 분자에 대한 음전하.

산화아연 및 그 나노입자는 용해도가 제한되어 있기 때문에 용해도가 높은 ZnSO₄보다 미생물에 대한 독성이 적습니다. ·7H₂ O. 그러나 금속산화물 나노입자가 세균 세포에 들어가 독성을 유발하는 것이 반드시 필요한 것은 아니다[59]. 나노입자와 세포벽 사이의 접촉은 독성을 유발하기에 충분합니다. 그것이 맞다면, 박테리아 세포가 생명 과정을 계속하기 위해 영양분이 흡수될 기회를 남기지 않고 환경으로부터 완전히 보호되고 보호되도록 많은 양의 금속 나노 입자가 필요합니다. 나노입자와 금속이온은 박테리아 세포보다 작기 때문에 세포막을 파괴하고 성장을 억제할 가능성이 더 큽니다.

ZnO, CuO, Al₂와 같은 다수의 나노크기 금속 산화물 O₃ , 라₂ O₃ , Fe₂ O₃ , SnO₂ 및 TiO₂ E에 대해 가장 높은 독성을 나타내는 것으로 나타났습니다. 대장균 [49]. 산화아연 나노입자는 외부에서 경미한 세균 감염의 치료에 사용되지만 아연 이온은 바이러스 인테그라제의 효소 활성을 증가시키는 일부 바이러스 및 인간에게 필수적인 미량 원소이다[45, 60, 61]. 또한 10mg/L의 Zn으로 치료할 때 감염성 췌장 괴사 바이러스가 69.6% 증가하는 것으로 뒷받침되었습니다[46]. 이는 ZnO 단독에 비해 Zn 이온의 더 큰 용해도 때문일 수 있습니다. SEM 및 TEM 이미지는 산화아연 나노입자가 박테리아 세포벽을 손상시키고 [55, 62] 투과성을 증가시킨 후 E에 축적됨을 보여주었습니다. 대장균 증식 방지 [63].

최근에는 그람양성균과 음성균인 황색포도상구균에 대해 산화아연 나노입자의 항균 활성을 조사한 바 있습니다. , E. 대장균 , 살모넬라 티피무리움 , 및 뉴모니아 클렙시엘라 . K의 경우에도 불구하고, 산화아연 나노입자의 성장 억제 용량은 15μg/ml인 것으로 관찰되었다. 폐렴 , 5μg/ml만큼 낮았습니다[63, 64]. 나노 입자의 농도가 증가함에 따라 미생물의 성장 억제가 증가하는 것으로 나타났습니다. 산화아연 나노입자의 최대 농도가 45μg/ml인 상태에서 4~5시간 동안 배양했을 때 성장이 강력하게 억제되었습니다. 배양 시간을 늘리면 작용 기전에 큰 변화 없이 성장 억제도 증가할 것으로 예상된다[63].

금속산화물 나노입자는 먼저 세균의 세포막을 손상시킨 후 침투하는 것으로 보고되었다[64]. 또한 H₂의 출시가 제안되었습니다. O₂ 항균 활성에 대한 대안이 될 수 있습니다[65]. 그러나 이 제안은 산화아연 나노입자의 존재만으로는 H₂를 생성하기에 충분하지 않기 때문에 실험적 증거가 필요합니다. O₂ . 극도로 낮은 농도의 아연 나노 입자 또는 산화 아연 나노 입자는 인체에 ​​독성을 일으킬 수 없습니다. 규칙적인 대사 기능을 수행하려면 음식을 통해 매일 아연을 섭취해야 합니다. 산화아연은 ​​E에 의한 손상으로부터 위와 장을 보호하는 것으로 알려져 있습니다. 대장균 [65]. 위의 pH는 2에서 5 사이로 다양하므로 위의 산화아연은 ​​산과 반응하여 Zn ²⁺ 을 생성할 수 있습니다. 이온. 그들은 탄수화물과 알코올의 소화를 돕는 효소 카르복시 펩티다아제, 탄산 탈수효소 및 알코올 탈수소효소를 활성화하는 데 도움을 줄 수 있습니다. Premanathan et al. [66]은 원핵 및 진핵 세포에 대한 산화아연 나노입자의 독성을 보고하였다. E에 대한 산화아연 나노입자의 MIC. 대장균 , 녹농균 , 및 S. 구균 각각 500 및 125μg/ml인 것으로 나타났습니다. 산화아연 나노입자의 독성에 대해 두 가지 작용 메커니즘, 즉 (1) ROS 생성 및 (2) 세포자멸사 유도가 제안되었습니다. 금속 산화물 나노 입자는 ROS 생성을 유도하고 세포에 산화 스트레스를 가하여 세포 구성 요소, 즉 지질, 단백질 및 DNA를 손상시킵니다[67,68,69]. 따라서 산화아연 나노입자는 세포자살을 통해 독성을 유발한다. 구별할 수는 없지만 정상 세포보다 암세포에 비교적 독성이 강합니다.

최근 Pati et al. [70]은 산화아연 나노입자가 박테리아 세포막 완전성을 파괴하고 세포 표면 소수성을 감소시키며 박테리아에서 산화 스트레스 저항 유전자의 전사를 하향 조절함을 보여주었다. 그들은 ROS 생산을 유도하여 세포 내 박테리아 사멸을 향상시킵니다. 이러한 나노입자는 생물막 형성을 방해하고 병원체에 의해 생성되는 용혈 독소에 의한 용혈을 억제합니다. 산화아연 나노입자의 피내 투여는 마우스의 피부 감염 및 염증을 현저히 감소시키고 감염된 피부 구조를 개선하는 것으로 밝혀졌습니다.

산화아연 나노입자의 용해도 및 농도 의존적 ​​활성

나노입자는 또한 세균 감염을 치료하기 위한 치료제를 전달하기 위한 운반체로 사용되었습니다[1, 9]. 100μg/ml 농도까지의 산화아연 나노입자는 정상 체세포에 무해하므로 항생제의 대안으로 사용할 수 있습니다. 90%의 박테리아 집락이 500–1000μg/ml의 산화아연 나노입자에 6시간 동안만 노출된 후 사멸하는 것으로 나타났습니다. 심지어 약물 내성 S. 구균 , 마이코박테리움 스메그마티스 , 및 마이코박테리움 보비스 저용량의 항결핵제인 리팜피신(0.7μg/ml)과 함께 산화아연 나노입자를 처리했을 때 성장의 현저한 감소가 관찰되었습니다. 이러한 병원체는 1000μg/ml의 산화아연 나노입자와 함께 24시간 배양했을 때 완전히 파괴되었습니다. 따라서 동일한 용량을 반복 투여하면 이러한 감염성 질환 환자가 완치될 수 있다고 결론지었다. 또한 50~500nm 범위의 산화아연 나노입자 크기가 박테리아 성장 억제에 동일한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

산화아연의 세포독성은 다양한 미생물 및 식물 시스템에서 많은 연구자에 의해 연구되었습니다[71,72,73,74]. 산화아연 나노입자의 독성은 농도와 용해도에 따라 다릅니다. 산화아연(125mg/l) 현탁액의 최대 노출 농도는 6.8mg/l의 Zn ²⁺ 을 방출하는 것으로 나타났습니다. 이온. 독성은 산화아연 나노입자와 Zn ²⁺ 의 결합 효과입니다. 수성 매체에서 방출되는 이온. 그러나 금속 이온의 영향은 미미한 것으로 나타났으며 이는 박테리아 성장 억제가 주로 미생물과 산화아연 나노입자의 상호작용에 기인함을 시사한다. 특정 금속 산화물 나노 입자의 세포 독성 효과는 종에 민감하며 여러 박테리아의 성장 억제 영역에 의해 반영됩니다[75].

박테리아 세포의 성장 억제는 주로 Zn ²⁺ 에 의해 발생한다고 제안되었습니다. 산화아연 나노입자의 세포외 용해에 의해 생성되는 이온 [76]. Choet al. [77] 쥐에 대한 연구에서 산화아연 나노입자는 중성 또는 생물학적 pH 부근에서 손상되지 않고 미생물의 리소좀에서 산성 조건(pH 4.5)에서 빠르게 용해되어 죽음에 이르게 한다는 결론을 내렸습니다. 이것은 산성 조건에서 산화아연이 용해되고 Zn ²⁺ 이기 때문에 사실입니다. 이온이 생성되어 박테리아 세포 내부의 생체 분자에 결합하여 성장을 억제합니다.

산화아연 나노입자는 다양한 1차 면역 적격 세포에 세포독성을 나타내는 것으로 나타났습니다. 전사체 분석은 나노입자가 나노입자의 용해에 기인하는 메탈로티오네인 유전자의 상향조절과 함께 공통의 유전자 특징을 갖는다는 것을 보여주었다[78]. 그러나 흡수된 아연이 Zn ²⁺ 인지는 확인할 수 없었습니다. 또는 산화아연 또는 둘 다, 더 작은 크기의 산화아연 나노입자는 더 큰 것보다 혈액 내 농도가 더 큽니다(19 및> 100 nm). 산화아연 나노입자의 효율은 주로 Zn ²⁺ 을 형성하는 반응 매질에 달려 있습니다. 세포로의 침투.

Chiang et al. [79]는 산화아연 나노입자의 해리가 세포의 Zn 항상성을 파괴한다고 보고하였다. 나노 입자의 특성과 생물학적 기능에 미치는 영향은 벌크 물질의 특성과 완전히 다릅니다[80]. 나노입자의 응집은 대식세포의 세포독성에 영향을 미치며, 그 농도는 나노입자 응집의 조절에 도움이 된다. 낮은 농도의 산화아연 나노입자는 효과가 없지만 더 높은 농도(100μg/ml)에서는 병원체에 따라 세포독성을 나타내었습니다.

산화아연 나노입자의 부주의한 사용은 때때로 생체 시스템에 악영향을 미칠 수 있습니다. 인간 간 세포 및 세포 독성에서 이들의 세포자멸사 및 유전독성 가능성이 연구되었습니다. 12시간 동안 14~20μg/ml의 산화아연 나노입자에 노출되면 간 세포 생존율이 감소하는 것으로 나타났습니다. 또한 산화 스트레스에 의한 DNA 손상을 유발했습니다. Sawai et al. [56]은 ROS 생성이 산화아연 분말의 농도에 정비례한다는 것을 보여주었다. ROS는 미토콘드리아 막 전위의 감소를 유발하여 세포자멸사를 유도합니다[81]. 세포독성이 발생하기 위해 나노입자의 세포 흡수가 필수는 아닙니다.

산화아연 나노입자의 크기 의존적 항균 활성

한 연구에서 Azam et al. [82]는 그람 음성(E. coli)에 대한 항균 활성을 보고했습니다. 및 P. 녹농균 ) 및 그람 양성(S. 및 고초균 ) 산화아연 나노 입자의 입자 크기 감소로 인해 표면 대 부피 비율이 증가함에 따라 박테리아가 증가했습니다. 더욱이, 이 조사에서 산화아연 나노입자는 B에 대한 최대(25mm) 세균 성장 ​​억제를 보여주었습니다. 자막 (그림 1).

그람 양성 및 그람 음성 박테리아 균주, 즉 a에 대한 산화아연 나노입자에 의해 생성되는 항균 활성 및/또는 억제 영역 대장균 , b 황색포도상구균 , ㄷ 슈도모나스 녹농균 , 및 d 고초균 [82]

산화아연 나노입자의 크기가 작을수록 미세 입자보다 항균 활성이 더 크다고 보고되었다[83]. 예를 들어, Au ⁵⁵ 1.4nm 크기의 나노입자는 그 독성을 설명하는 DNA의 주요 홈과 상호작용하는 것으로 입증되었습니다[84]. 상반된 결과가 보고되었지만 많은 연구자들이 산화아연 나노입자가 박테리아 세포에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 그러나 Brayner et al. [63] TEM 이미지에서 10~14nm의 산화아연 나노입자가 내부화되어(미생물에 노출되었을 때) 박테리아 세포막을 손상시키는 것으로 나타났습니다. 또한 아연/산화아연 나노입자는 5mM 이상의 T 세포[85]와 1.2mM 이상의 신경모세포종 세포[86]에 독성이 있기 때문에 인체에 독성이 없어야 합니다. Nair et al. [87]은 산화아연 나노입자가 박테리아 및 인간 세포 독성에 미치는 크기 효과를 독점적으로 조사했습니다. 그들은 그람 양성 및 그람 음성 박테리아와 조골세포 암 세포주(MG-63)에 대한 산화아연 나노입자의 영향을 연구했습니다.

산화아연 나노입자의 항균활성은 크기에 반비례하고 농도에 정비례하는 것으로 알려져 있다[88]. 또한 활성화를 위해 UV 광선이 필요하지 않다는 사실도 확인되었습니다. 그것은 정상 또는 확산된 햇빛 아래서 작동합니다. 세포독성 활성은 아마도 ROS의 생성과 세포질 또는 세포 외막의 나노입자 축적을 모두 포함할 수 있습니다. 그러나 H₂의 제작 O₂ 그리고 나노 입자의 활성화에 관여하는 것을 무시할 수 없습니다. Raghupathi et al. [88]은 다양한 아연염으로부터 산화아연 나노입자를 합성하고 Zn(NO₃ )₂ 크기(12nm)가 가장 작고 표면적(90.4)이 가장 큽니다. 저자는 S의 성장 억제를 보여주었습니다. 구균 6mM 농도의 산화아연 나노입자는 크기에 따라 다릅니다. 또한 산화아연 나노입자에 대한 박테리아 세포의 노출 동안 생존 세포 측정으로부터 회복된 세포의 수가 산화아연 나노입자의 크기가 감소함에 따라 유의하게 감소하는 것으로 나타났다. Jones et al. [89] 직경 8nm의 산화아연 나노입자가 S의 성장을 억제함을 보여주었다. 구균 , E. 대장균 , 및 B. 자막. 12~307nm 범위의 산화아연 나노입자를 선택하여 항균 활성과 크기 사이의 관계를 확인했습니다. 미생물에 대한 독성은 Zn ²⁺ 형성에 기인합니다. 물에 현탁되었을 때 산화아연에서 이온이 생성되고 pH가 약간 변합니다. Zn ²⁺ 이후 이온은 산화아연 나노입자로부터 거의 방출되지 않고, 항균 활성은 주로 산화아연 나노입자가 더 작기 때문이다. 크기가 12nm일 경우 S의 성장을 억제합니다. 구균 , 그러나 크기가 100nm를 초과하면 억제 효과가 미미합니다[89].

산화아연 나노입자의 모양, 구성 및 세포독성

산화아연 나노입자는 농도 의존적 ​​방식 및 노출된 세포 유형에서 상이한 민감도로 인해 세포독성을 나타냈다[90, 91]. Sahu et al. [90]은 입자 크기 사이의 세포 독성 차이와 동일한 조성의 입자에 대한 세포의 다른 민감성을 강조했습니다. 또 다른 최근 연구에서 Ng et al. [91] 인간 폐 MRC5 세포에서 농도 의존적 ​​세포독성을 조사했다. 저자들은 TEM 조사를 사용하여 산화아연 나노입자의 흡수 및 인간 폐 MRC5 세포로의 내재화를 보고했습니다. 이러한 입자는 세포의 세포질에서 전자 밀도 클러스터 형태로 관찰되었으며, 이는 소포로 둘러싸인 것으로 더 관찰되는 반면, 산화아연 나노 입자는 처리되지 않은 대조군 세포에서 발견되지 않았습니다. Papavlassopoulos et al. [92]는 "화염 수송 합성 접근법"으로 알려진 완전히 새로운 경로로 산화아연 나노입자 테트라포드를 합성했습니다. Tetrapods는 기존의 합성 아연 산화물 나노 입자와 다른 형태를 가지고 있습니다. 시험관 내 포유류 섬유아세포와의 상호작용은 독성이 구형 산화아연 나노입자의 독성보다 현저히 낮다는 것을 나타냅니다. 사족류는 Zn ²⁺ 이 교대로 있는 육각형 wurtzite 결정 구조를 나타냈습니다. 그리고 O ²⁻ 3차원 기하학을 가진 이온. 그들은 바이러스가 살아있는 세포로 침입하는 것을 차단하며 UV 방사선으로 정확하게 조사하여 더욱 강화됩니다. 산화아연 네발동물은 구조에 산소 결손이 있기 때문에 단순포진 바이러스는 헤파란 설페이트를 통해 부착되고 체세포로의 진입이 거부됩니다. 따라서 시험관 내에서 HSV-1 및 HSV-2 감염을 예방합니다. 따라서 산화아연 테트라포드는 이러한 바이러스 감염에 대한 예방제로 사용될 수 있습니다. 산화아연 나노입자의 세포독성은 또한 포유동물 세포의 증식 속도에 의존한다[66, 93]. 표면 반응성과 독성은 또한 산화아연 테트라포드의 산소 결손을 조절함으로써 변화될 수 있습니다. 자외선에 노출되면 네발동물의 산소 결손이 쉽게 증가합니다. 또는 산소가 풍부한 환경에서 가열하여 산소 결손을 줄일 수 있습니다. 따라서 원하는 대로 변경할 수 있는 산화아연 테트라포드의 고유한 특성으로 인해 결과적으로 항균 효율성이 변경됩니다.

동물 연구에서는 나노입자에 대한 호흡기 노출 시 폐 염증, 산화 스트레스 등이 증가하는 것으로 나타났습니다[94]. Yang et al. [95]는 1차 마우스 배아 섬유아세포에 대한 산화아연 나노입자의 세포독성, 유전독성 및 산화적 스트레스를 조사하였다. 산화아연 나노입자는 탄소 및 SiO2에 의해 유도된 것보다 훨씬 더 큰 세포독성을 유도하는 것으로 관찰되었습니다. 나노 입자. 글루타치온 고갈, 말론디알데히드 생성, 슈퍼옥사이드 디스뮤타제 억제, ROS 생성을 측정하여 추가로 확인했습니다. 다양한 나노입자의 잠재적인 세포독성 효과는 그 모양에 기인합니다.

고분자 코팅 나노입자

많은 세균 감염은 문 손잡이, 키보드, 수도꼭지, 욕조 및 전화기와의 접촉을 통해 전염됩니다. 따라서 이러한 표면을 개발하고 저렴한 고급 항균 물질로 코팅하여 성장을 억제하는 것이 필수적입니다. 그러한 농도의 항균 물질을 사용하여 병원체를 죽일 수 있지만 인간은 살릴 수 있도록 하는 것이 중요합니다. 저비용의 생체적합성 친수성 고분자로 코팅된 경우에만 발생할 수 있습니다. Schwartz et al. [96]은 생체적합성 폴리(N -이소프로필아크릴아미드)와 산화아연 나노입자. 복합막의 SEM 이미지는 산화아연 나노입자의 균일한 분포를 보였다. E에 대한 항균 활성을 나타냈다. 대장균 매우 낮은 산화아연 농도(1.33mM)에서 또한 코팅은 1주일 동안 포유동물 세포주(N1H/3T3)에 대해 무독성인 것으로 밝혀졌습니다. 산화아연/하이드로겔 나노복합체는 사람들이 세균 감염에 감염되는 것을 방지하기 위한 생물의학 코팅으로 안전하게 사용될 수 있습니다.

산화아연 나노입자는 안정적이지만 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알코올과 같은 다양한 고분자로 코팅하여 더욱 안정화되었습니다. ( PVA), 폴리(α, γ, l-글루탐산)(PGA), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 키토산 및 덱스트란[97, 98]. 조작된 산화아연 나노입자의 항균 활성은 그람 음성 및 그람 양성 병원체, 즉 E에 대해 조사되었습니다. 대장균 및 S. 구균 상업적인 산화아연 분말과 비교됩니다. 고분자로 코팅된 구형 산화아연 나노입자는 벌크 산화아연 분말에 비해 최대 세균 세포 파괴를 보였다[99]. 고분자로 코팅된 나노입자는 용해도가 낮고 방출이 지속되어 독성이 적기 때문에 적절한 고분자로 코팅하여 세포독성을 조절할 수 있습니다.

Effect of Particle Size and Shape of Polymer-Coated Nanoparticles on Antibacterial Activity

이. 대장균 and S. aureus exposed to different concentrations of poly ethylene glycol (PEG)-coated zinc oxide nanoparticles (1–7 mM) of varying size (401 nm–1.2 μm) showed that the antimicrobial activity increases with decreasing size and increasing concentration of nanoparticles. However, the effective concentration in all these cases was above 5 mM. There occurs a drastic change in cell morphology of E. 대장균 surface which can be seen from the SEM images of bacteria before and after their exposure to zinc oxide nanoparticles [84]. It has been nicely demonstrated by Nair et al. [87] that PEG-capped zinc oxide particles and zinc oxide nanorods are toxic to human osteoblast cancer cells (MG-63) at concentration above 100 μM. The PEG starch-coated nanorods/nanoparticles do not damage the healthy cells.

In Vivo and In Vitro Antimicrobial Activity for Wound Dressing

Of all natural and synthetic wound dressing materials, the chitosan hydrogel microporous bandages laced with zinc oxide nanoparticles developed by Kumar et al. [100] are highly effective in treating burns, wounds, and diabetic foot ulcers. The nanoparticles of approximately 70–120 nm are dispersed on the surface of the bandage. The degradation products of chitosan were identified as d-glucosamine and glycosamine glycan. They are nontoxic to the cells because they are already present in our body for the healing of injury. The wound generally contains P. aeruginosa , S. intermedicus , and S. hyicus which were also identified from the swab of mice wound and successfully treated with chitosan zinc oxide bandage in about 3 weeks [100].

Effect of Doping on Toxicity of Zinc Oxide Nanoparticles

Doping of zinc oxide nanoparticles with iron reduces the toxicity. The concentration of Zn ²⁺ and zinc oxide nanoparticles is also an important factor for toxicity. The concentration that reduced 50% viability in microbial cells exposed to nano- and microsize zinc oxide is very close to the concentration of Zn ²⁺ that induced 50% reduction in viability in Zn ²⁺ -treated cells [101, 102].

Coating of zinc oxide nanoparticles with mercaptopropyl trimethoxysilane or SiO₂ reduces their cytotoxicity [103]. On the contrary, Gilbert et al. [104] showed that in BEAS-2B cells, uptake of zinc oxide nanoparticles is the main mechanism of zinc accumulation. Also, they have suggested that zinc oxide nanoparticles dissolve completely generating Zn ²⁺ ions which are bonded to biomolecules of the target cells. However, the toxicity of zinc oxide nanoparticles depends on the uptake and their subsequent interaction with target cells.

Interaction Mechanism of Zinc Oxide Nanoparticles

Nanoparticles may be toxic to some microorganisms, but they may be essential nutrients to some of them [55, 105]. Nanotoxicity is essentially related to the microbial cell membrane damage leading to the entry of nanoparticles into the cytoplasm and their accumulation [55]. The impact of nanoparticles on the growth of bacteria and viruses largely depends on particle size, shape, concentration, agglomeration, colloidal formulation, and pH of the media [106,107,108]. The mechanism of antimicrobial activity of zinc oxide nanoparticles has been depicted in Fig. 2.

Mechanisms of zinc oxide nanoparticle antimicrobial activity

Zinc oxide nanoparticles are generally less toxic than silver nanoparticles in a broad range of concentrations (20 to 100 mg/l) with average particle size of 480 nm [55, 62, 63]. Metal oxide nanoparticles damage the cell membrane and DNA [63, 109,110,111] of microbes via diffusion. However, the production of ROS through photocatalysis causing bacterial cell death cannot be ignored [112]. UV-Vis spectrum of zinc oxide nanoparticle suspension in aqueous medium exhibits peaks between 370 and 385 nm [113]. It has been shown that it produces ROS (hydroxyl radicals, superoxides, and hydrogen peroxide) in the presence of moisture which ostensibly react with bacterial cell material such as protein, lipids, and DNA, eventually causing apoptosis. Xie et al. [114] have examined the influence of zinc oxide nanoparticles on Campylobacter jejuni cell morphology using SEM images (Fig. 3). After a 12-h treatment (0.5 mg/ml), C. jejuni was found to be extremely sensitive and cells transformed from spiral shape to coccoid forms. SEM studies showed the ascendency of coccoid forms in the treated cells and display the formation of irregular cell surfaces and cell wall blebs (Fig. 3a). Moreover, these coccoid cells remained intact and possessed sheathed polar flagella. However, SEM image of the untreated cells clearly showed spiral shapes (Fig. 3b). In general, it has been demonstrated from SEM and TEM images of bacterial cells treated with zinc oxide nanoparticles that they get ruptured and, in many cases, the nanoparticles damage the cell wall forcing their entry into it [114, 115].

SEM images of Campylobacter jejuni . 아 Untreated cells from the same growth conditions were used as a control. ㄴ C. jejuni cells in the mid-log phase of growth were treated with 0.5 mg/ml of zinc oxide nanoparticles for 12 h under microaerobic conditions [114]

Zinc oxide nanoparticles have high impact on the cell surface and may be activated when exposed to UV-Vis light to generate ROS (H₂ O₂ ) which permeate into the cell body while the negatively charged ROS species such as O₂ ²⁻ remain on the cell surface and affect their integrity [116, 117]. Anti-bacterial activity of zinc oxide nanoparticles against many other bacteria has also been reported [1, 5, 114, 115]. It has been shown from TEM images that the nanoparticles have high impact on the cell surface (Fig. 4).

아 TEM images of untreated normal Salmonella typhimurium 세포. ㄴ Effects of nanoparticles on the cells (marked with arrows). ㄷ , d Micrograph of deteriorated and ruptured S. typhimurium cells treated with zinc oxide nanoparticles [115]

Sinha et al. [118] have also shown the influence of zinc oxide nanoparticles and silver nanoparticles on the growth, membrane structure, and their accumulation in cytoplasm of (a) mesophiles:Enterobacter sp. (gram negative) and B. subtilis (gram positive) and (b) halophiles:halophilic bacterium sp. (gram positive) and Marinobacter sp. (gram negative). Nanotoxicity of zinc oxide nanoparticles against halophilic gram-negative Marinobacter species and gram-positive halophilic bacterial species showed 80% growth inhibition. It was demonstrated that zinc oxide nanoparticles below 5 mM concentration are ineffective against bacteria. The bulk zinc oxide also did not affect the growth rate and viable counts, although they showed substantial decrease in these parameters. Enterobacter species showed dramatic alterations in cell morphology and reduction in size when treated with zinc oxide.

TEM images shown by Akbar and Anal [115] revealed the disrupted cell membrane and accumulation of zinc oxide nanoparticles in the cytoplasm (Fig. 4) which was further confirmed by FTIR, XRD, and SEM. It has been suggested that Zn ²⁺ ions are attached to the biomolecules in the bacterial cell via electrostatic forces. They are actually coordinated with the protein molecules through the lone pair of electrons on the nitrogen atom of protein part. Although there is significant impact of zinc oxide nanoparticles on both the aquatic and terrestrial microorganisms and human system, it is yet to be established whether it is due to nanoparticles alone or is a combined effect of the zinc oxide nanoparticles and Zn ²⁺ ions [55, 106, 109, 119]. Antibacterial influence of metal oxide nanoparticles includes its diffusion into the bacterial cell, followed by release of metal ions and DNA damage leading to cell death [63, 109,110,111]. The generation of ROS through photocatalysis is also a reason of antibacterial activity [62, 112]. Wahab et al. [120] have shown that when zinc oxide nanoparticles are ingested, their surface area is increased followed by increased absorption and interaction with both the pathogens and the enzymes. Zinc oxide nanoparticles can therefore be used in preventing the biological system from infections. It is clear from TEM images (Fig. 5a, b) of E. 대장균 incubated for 18 h with MIC of zinc oxide nanoparticles that they had adhered to the bacterial cell wall. The outer cell membrane was ruptured leading to cell lysis. In some cases, the cell cleavage of the microbes has not been noticed, but the zinc oxide nanoparticles can yet be seen entering the inner cell wall (Fig. 5c, d). As a consequence of it, the intracellular material leaks out leading to cell death, regardless of the thickness of bacterial cell wall.

TEM images of Escherichia coli (아 ), zinc oxide nanoparticles with E. 대장균 at different stages (b and inset), Klebsiella pneumoniae (ㄷ ), and zinc oxide nanoparticles with K. pneumoniae (d and inset) [120]

Mechanism of interaction of zinc oxide nanoparticles with bacterial cells has been outlined below [120]. Zinc oxide absorbs UV-Vis light from the sun and splits the elements of water.

Dissolved oxygen molecules are transformed into superoxide, O₂ ^- , which in turn reacts with H ⁺ to generate HO₂ radical and after collision with electrons produces hydrogen peroxide anion, HO₂ ^- . They subsequently react with H ⁺ ions to produce H₂ O₂ .

It has been suggested that negatively charged hydroxyl radicals and superoxide ions cannot penetrate into the cell membrane. The free radicals are so reactive that they cannot stay in free and, therefore, they can either form a molecule or react with a counter ion to give another molecule. However, it is true that zinc oxide can absorb sun light and help in cleaving water molecules which may combine in many ways to give oxygen. Mechanism of oxygen production in the presence of zinc oxide nanoparticles still needs experimental evidence.

Zinc oxide at a dose of 5 μg/ml has been found to be highly effective for all the microorganisms which can be taken as minimum inhibitory dose.

결론

Zinc is an indispensable inorganic element universally used in medicine, biology, and industry. Its daily intake in an adult is 8–15 mg/day, of which approximately 5–6 mg/day is lost through urine and sweat. Also, it is an essential constituent of bones, teeth, enzymes, and many functional proteins. Zinc metal is an essential trace element for man, animal, plant, and bacterial growth while zinc oxide nanoparticles are toxic to many fungi, viruses, and bacteria. People with inherent genetic deficiency of soluble zinc-binding protein suffer from acrodermatitis enteropathica, a genetic disease indicated by python like rough and scaly skin. Although conflicting reports have been received about nanoparticles due to their inadvertent use and disposal, some metal oxide nanoparticles are useful to men, animals, and plants. The essential nutrients become harmful when they are taken in excess. Mutagenic potential of zinc oxide has not been thoroughly studied in bacteria even though DNA-damaging potential has been reported. It is true that zinc oxide nanoparticles are activated by absorption of UV light without disturbing the other rays. If zinc oxide nanoparticles produce ROS, they can damage the skin and cannot be used as sun screen. Antibacterial activity may be catalyzed by sunlight, but hopefully, it can prevent the formation of ROS. Zinc oxide nanoparticles and zinc nanoparticles coated with soluble polymeric material may be used for treating wounds, ulcers, and many microbial infections besides being used as drug carrier in cancer therapy. It has great potential as a safe antibacterial drug which may replace antibiotics in future. Application of zinc oxide nanoparticles in different areas of science, medicine, and technology suggests that it is an indispensable substance which is equally important to man and animals. However, longtime exposure with higher concentration may be harmful to living system.

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