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은 나노 입자가 포함된 복합 재료의 산화 그래핀은 항균 나노 플랫폼의 섬유모세포 및 내피 세포 세포 독성을 감소시킵니다.

초록

은 나노 입자를 포함한 나노 물질로 코팅된 항균 표면은 항생제 및 화학 약품 대신 사용할 수 있는 효과적인 대체 항균제로 간주됩니다. 그러나 이러한 물질의 잠재적 독성에 대한 보고는 생물의학 응용 분야에서의 사용 안전성에 대한 의문을 제기합니다. 이 연구의 목적은 은 나노 입자와 산화 그래핀을 착화시켜 은 나노 입자로 코팅된 폴리우레탄 호일의 인간 세포 독성을 줄이는 것이었습니다. Salmonella enteritidis로 은나노입자, 산화그래핀 및 은나노입자와 산화그래핀의 복합체로 코팅된 나노플랫폼의 항균활성을 평가했습니다. . 세포 독성은 인간 섬유아세포, 인간 제대 정맥 내피 세포(HUVEC) 및 닭 배아 융모막요막의 생존 가능성 및 형태 분석에 의해 분석되었습니다. 또한, 다른 나노플랫폼에서 배양된 섬유아세포에 대해 염증성 단백질의 합성 수준을 조사하였다. 은 나노입자와 산화그래핀 복합체로 코팅된 나노플랫폼이 가장 강한 항균성을 나타내었지만, 은 나노입자 또는 산화그래핀만으로 코팅된 나노플랫폼에서도 S가 감소하였다. 장염 성장. 또한, 은 나노입자와 산화그래핀 복합체로 코팅된 나노플랫폼은 은 나노입자만으로 코팅된 나노플랫폼에 비해 섬유아세포, HUVEC 및 닭 배아 융모요막에 대한 면역 자극이 제한적이고 세포 독성이 현저히 감소했는데, 이는 나노 물질의 안정성이 더 높기 때문이다. 나노복합체.

소개

항균 표면을 가진 재료는 의학 및 생물 의학 산업에서 사용하기 위해 널리 연구되었습니다[1]. 나노물질은 항생제와 화학약품을 대신할 수 있는 효과적인 대체 항균제로 여겨진다[2]. 은 나노입자(AgNPs)는 항균 특성으로 가장 자주 사용됩니다[3]. 그러나 특히 더 높은 농도에서 AgNPs를 포함하여 항균 활성을 나타내는 나노입자는 인간 세포에 독성이 있을 수 있으며 인간 건강에 영향을 미칠 수 있습니다[4, 5]. 따라서 생물의학 산업에서 표면이 나노물질로 코팅된 물질의 적용은 그 안전성과 독성에 대한 의문을 제기합니다.

나노 물질의 잠재적 독성을 최소화하는 가능한 방법 중 하나는 항균 특성을 변경하지 않고 이동성을 제한하는 것입니다. 항균 표면에 사용되는 단단히 부착된 나노물질은 물질에서 분리되지 않고 인체 세포에 대한 독성을 감소시킵니다[6]. 나노입자로 표면을 코팅하는 효과적인 방법 중 하나는 초음파 기술입니다[7]. 초음파는 나노물질에 구조적 변화를 일으켜 나노물질에 따라 덩어리가 풀리거나 덩어리지게 된다[8]. 초음파 기술은 금속 이온 및 나노 입자를 포함한 다양한 재료의 나노복합체 합성에도 사용할 수 있습니다[9,10,11]. 초음파 처리는 AgNP 및 기타 나노입자로 산화그래핀(GO) 플레이크를 장식하는 것을 포함하여 다양한 나노물질의 조립에 사용되었습니다[12].

나노 입자의 항균 활성 메커니즘은 나노 입자의 유형에 따라 다릅니다. 그러나 나노 입자의 항균 특성을 담당하는 주요 과정은 다음과 같습니다. 세포 성분과의 직접적인 상호 작용 및 세포 성분의 산화 및 산화 환원 과정의 파괴를 포함한 간접적인 과정[3]. AgNP 항균 활성은 AgNPs와 방출된 Ag+ 이온에 의한 박테리아 세포막의 직접적인 파괴로 인해 활성 산소 종(ROS) 합성을 유도하고 원형질막 전위의 붕괴로 인해 세포 내 ATP가 고갈됩니다[13 ,14,15]. GO는 GO 및 GO 나노복합체의 높은 흡착 능력으로 인해 ROS 합성 및 GO 표면에 대한 직접적인 세포 고정으로 인해 박테리아 세포에 대해 세포독성이 될 수 있습니다[16, 17].

그러나 나노입자의 독성은 박테리아 세포에서만 관찰된 것은 아닙니다. 일반적으로 인간 세포는 더 큰 규모와 효과적인 복구 및 방어 메커니즘으로 인해 박테리아보다 나노 입자에 덜 취약하지만 특히 고농도에서 세포 독성이 관찰되었습니다. 시험관 내 연구에서 AgNP 독성은 유사한 규모의 농도로 발생하지만 더 복잡한 다른 생물학적 시스템 또는 유기체에 대해 실질적으로 다를 수 있습니다[20]. 다세포 유기체에 대한 AgNPs의 독성은 상피 세포를 포함한 특수 세포 조직과 같은 구조적 및 생리학적 차이로 인해 종종 더 낮습니다[21]. 인간 세포에 대한 GO 생체 적합성은 농도 및 시트 형태에 따라 다릅니다. 더 높은 농도에서 GO는 원형질막 침투 및 ROS 합성 증가로 이어질 수 있습니다[22,23,24].

우리의 이전 연구에서 우리는 AgNP와 GO(Ag-GO) 나노복합체로 구성된 나노플랫폼이 박테리아(Escherichia coli , 황색 포도상구균표피 포도상구균 ) 및 병원성 효모(Candida albicans ), 증가된 ROS 합성 및 원형질막 천공과 관련이 있습니다[25]. Ag-GO는 두 나노물질의 결합된 활성으로 인해 AgNP 또는 GO 나노플랫폼보다 더 높은 항균 활성을 보였다. 여기에서 우리는 Ag-GO 나노복합체로 코팅된 폴리우레탄 호일이 AgNP로만 코팅된 호일보다 섬유아세포, 인간 제대 정맥 내피 세포(HUVEC) 및 대체 생체 내 모델(닭 배 융모요막)에 대한 독성이 더 낮을 것이라고 가정했습니다.

<섹션 데이터-제목="결과">

결과

AgNP와 GO가 하이드로콜로이드에서 나노복합체를 형성

투과전자현미경(TEM) 분석은 Ag-GO 복합체 내 나노물질의 형태와 상호작용을 평가하는 데 사용되었습니다(그림 1). AgNP는 평균 크기가 약 55 nm인 구형 나노입자였습니다. 또한 TEM 이미지는 GO에 대한 은 나노 입자의 접착력을 보여주었습니다(그림 1e). 이러한 관찰은 제타 전위 분석에서 추가로 확인됩니다. Ag-GO의 제타 전위는 하이드로콜로이드가 초음파 처리 직후 불안정했지만 24시간 후에 안정화되었음을 나타냅니다(제타 전위:각각 - 15.68 및 - 27.7 mV, 표 1). 대조적으로, AgNP 히드로콜로이드는 초음파 처리 직후와 24시간 후 모두 불안정한 반면, GO 히드로콜로이드는 매우 안정적이었고 24시간 후에 크게 변하지 않았습니다(제타 전위:각각 - 31.11 mV 및 - 28.42 mV). 또한 동적 광산란(DLS) 분석은 Z -AgNPs의 평균 크기는 93.1 nm, GO는 1485.0 nm, Ag-GO는 1157.0 nm였습니다. AgNP 크기 분포는 덩어리 형성과 관련된 세 개의 피크를 나타내는 반면 GO 및 Ag-GO 크기 분포는 하나의 피크를 나타냅니다(그림 1b, d, f).

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나노 입자 형태 및 크기 분포. a의 투과 전자 현미경 이미지 은 나노입자, c 산화 그래핀 및 e 은나노입자와 산화그래핀 복합재료. b의 크기 분포 은 나노입자, d 산화 그래핀 및 f 은나노입자와 산화그래핀 합성물

라만 스펙트럼과 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR)은 GO의 구조적 특징을 특성화하는 데 사용되었습니다(그림 2). 그림 2a는 GO의 D, G 및 D'의 디콘볼루션을 보여줍니다. D 밴드의 위치는 1347 cm − 1 입니다. G 밴드 1578 cm − 1 ; ID/IG 비율은 1.34입니다. FT-IR 분석 결과 ~ 3500 cm − 1 에서 넓은 피크가 관찰되었습니다. , 그것은 주로 물과 수산기에 할당됩니다. 피크 약 1600 cm − 1 흑연 탄소에 존재하는 C=C 결합에 할당된다. FT-IR 스펙트럼에서 관찰된 다른 피크는 GO가 C=O 결합을 포함하는 그룹(주로 카르복실 그룹)이 풍부하다는 것을 보여줍니다. 피크는 약 1720 cm - 1 입니다. 및 915 cm − 1 , 약 1200 cm − 1 에 피크가 보이는 에폭시(C–O–C) , 및 C-H 결합(피크 약 2800 cm − 1 ).

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산화 그래핀의 구조적 특징 분석. 제안된 D, G 및 D'의 디콘볼루션이 있는 산화그래핀의 라만 스펙트럼. 기능 그룹이 할당된 산화 그래핀의 푸리에 변환 적외선 분광법(ATR, 감쇠 전반사) 스펙트럼

AgNP-, GO- 및 Ag-GO 코팅 포일 감소 살모넬라 엔테리티디스 성장

GO, AgNP 및 Ag-GO 나노플랫폼의 항균 활성은 S로 테스트되었습니다. 장염 . 37 °C에서 24 시간 동안 나노물질로 코팅된 호일에 박테리아를 배양하면 성장이 감소했습니다(그림 3). 가장 강한 S. 장염 Ag-GO 나노 플랫폼에서 성장 억제가 관찰되었습니다. 그러나 AgNP와 GO 나노플랫폼 모두 S를 감소시켰습니다. 장염 성장. Ag-GO 나노플랫폼에서 배양된 박테리아의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 대조군과 비교한 결과 S의 수가 감소한 것으로 나타났습니다. 장염 세포. 또한, 박테리아는 나노플랫폼에 부착되어 형태학적 변화를 보여 세포막이 파괴되었음을 나타냅니다.

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은 나노입자와 산화그래핀으로 코팅된 나노플랫폼은 S의 생존력을 감소시켰다. 장염. a의 주사 전자 현미경 이미지 컨트롤 S. 장염 박테리아 및 b S. 장염 37 °C에서 24 시간 동안 인큐베이션한 후 은 나노입자 및 산화 그래핀으로 코팅된 나노플랫폼에서 인큐베이션했습니다. S의 생존 가능성 장염 24시간 동안 나노플랫폼에서 배양한 후 PrestoBlue 분석으로 평가했습니다. 값은 평균 ± 표준편차(n =3, 각 실험은 3회 반복). 통계적 유의성은 다른 위 첨자로 표시됩니다(one-way ANOVA, P <0.05). 약어:C, 대조군(나노입자가 없는 호일); AgNPs, 은 나노입자로 코팅된 나노플랫폼; GO, 산화그래핀으로 코팅된 나노플랫폼; Ag-GO, 산화 그래핀과 은 나노 입자의 복합체로 코팅된 나노 플랫폼; RU, 상대 단위

Ag-GO 복합 코팅 나노플랫폼에서 GO에 의해 억제되는 AgNP 독성

나노플랫폼과 코팅되지 않은 포일에서 24시간 동안 섬유아세포와 HUVEC를 직접 배양하여 나노플랫폼의 독성을 조사했습니다(그림 4). 서로 다른 나노플랫폼에서 섬유아세포와 HUVEC의 생존력 사이에는 상당한 차이가 있었습니다(P =0.0003 및 P =0.0156). GO 나노플랫폼은 코팅되지 않은 호일에서 배양된 세포의 생존력과 비교하여 섬유아세포의 생존력을 변화시키지 않았습니다. 유사하게, HUVEC의 생존 가능성에 대한 GO의 유의미한 영향은 없었다. 그러나 AgNP로 코팅하면 섬유아세포와 HUVEC 모두의 생존율이 40~50% 감소했습니다. 섬유아세포와 HUVEC의 세포 생존율은 Ag-GO 나노복합체로 코팅된 나노플랫폼에서 배양되었을 때 변화되지 않아 AgNP 독성의 억제를 보여주었다. 코팅되지 않은 포일의 세포 형태는 2D 배양 조건에서 성장한 섬유아세포의 전형적인 형태를 보여주었습니다(그림 4a). AgNP 코팅된 호일에서 배양된 세포는 세포의 집중적인 응집을 보여주었습니다. GO 및 Ag-GO 코팅된 나노플랫폼의 세포 형태는 응집 경향과 세포 확산의 감소를 보여주었습니다.

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산화그래핀으로 코팅된 나노플랫폼은 은 나노입자의 세포독성을 감소시켰습니다. a에서 배양된 섬유아세포의 형태 코팅되지 않은 나노 플랫폼, b 은 나노입자 코팅된 나노플랫폼, c 산화 그래핀 코팅 나노 플랫폼, d 은 나노입자 및 산화그래핀 복합 코팅된 나노플랫폼. 형태는 x 200 배율의 위상차를 사용하여 광학현미경에 의해 평가되었습니다. 섬유아세포(e ) 및 HUVEC(f ) 나노플랫폼에서 24시간 인큐베이션 후 생존력은 PrestoBlue 분석을 사용하여 결정되었습니다. 값은 평균 ± 표준편차(n =3, 각 실험은 3회 반복). 통계적 유의성은 다른 위 첨자로 표시됩니다(one-way ANOVA, P <0.05). 약어:HUVEC, 인간 제대 정맥 내피 세포; C, 대조군(나노입자가 없는 호일); AgNPs, 은 나노입자로 코팅된 나노플랫폼; GO, 산화그래핀으로 코팅된 나노플랫폼; Ag-GO, 그래핀 옥사이드와 은 나노입자의 복합체로 코팅된 나노플랫폼; RU, 상대 단위

Nanoplatform 독성은 또한 닭 배아 융모막을 사용하여 평가되었습니다(그림 5). 나노플랫폼을 융모요막에서 직접 배양하고 48시간 후에 접촉 부위의 형태를 조사했습니다. AgNP는 융모요막에 형태학적 변화를 일으킨 반면, GO 및 Ag-GO 나노플랫폼의 경우 형태는 대조군과 유사했습니다(그림 5b). 융모요막막은 AgNP 나노플랫폼에서 배양한 후 모세혈관의 수가 감소하여 내피세포와 중간엽 세포에 직접적인 독성을 나타냅니다.

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산화그래핀은 은 나노입자에 의한 융모요막의 형태적 변화를 감소시켰다. 나노플랫폼과 함께 48시간 배양 후 닭 배아 융모요막의 형태. 대조군(나노입자가 없는 호일), b 은 나노입자로 코팅된 나노플랫폼, c 산화 그래핀으로 코팅된 나노 플랫폼, d 산화 그래핀과 은 나노 입자의 복합체로 코팅된 나노 플랫폼

AgNPs는 인터루킨 6 및 8의 방출을 감소시켰습니다.

항체 어레이를 사용하여 섬유아세포에 의해 합성된 40개의 염증 단백질의 세포 배지 함량을 분석했습니다(그림 6). 섬유아세포에서 방출되는 주요 염증 단백질은 인터루킨 8(IL-8, 그림 6, 점:E5, F5)과 인터루킨 6(IL-6, 그림 6, 점:E8, F8)이었습니다. AgNP 및 Ag-GO 나노플랫폼은 IL-8의 방출 수준을 유의하게 감소시켰지만, GO 나노플랫폼은 그러한 효과가 없었다. 또한 GO 및 Ag-GO 나노플랫폼 모두 과립구-대식세포 집락 자극 인자(GM-CSF, 그림 6, 점:G5, H5)의 방출 수준을 감소시켰습니다. GO 및 Ag-GO 나노플랫폼은 또한 종양 괴사 인자 베타(TNF-β, 그림 6, 점:A9, B9)의 방출 수준을 증가시켰습니다. 흥미롭게도 AgNP, GO 및 Ag-GO 나노플랫폼은 IL-6의 방출 수준을 상당히 감소시켰습니다. 다른 분석된 단백질의 방출 수준은 변경되지 않았습니다. 분석된 모든 사이토카인 목록이 포함된 어레이 맵은 추가 파일 1:그림 S1에 포함되어 있습니다.

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배양 24시간 후 섬유아세포의 염증성 사이토카인 방출에 대한 항체 어레이 분석. 대조군(나노입자가 없는 호일), b 은 나노입자로 코팅된 나노플랫폼, c 산화 그래핀으로 코팅된 나노 플랫폼, d 산화 그래핀과 은 나노 입자의 복합체로 코팅된 Ag-GO 나노 플랫폼. AgNP 및 Ag-GO 나노플랫폼은 IL-8의 방출 수준을 감소시켰습니다(점:E5, F5). GO 및 Ag-GO 나노플랫폼 모두 GM-CSF(점:G5, H5)의 합성을 감소시켰습니다. 또한, GO 및 Ag-GO 나노플랫폼은 TNF-β의 합성을 증가시켰습니다(점:A9, B9). AgNP, GO 및 Ag-GO 나노플랫폼은 IL-6의 방출 수준을 감소시켰습니다(점:E8, F8). 추가 파일 1

에서 전체 어레이 맵을 사용할 수 있습니다.

토론

생물 의학 응용 분야에서 항균 물질에 사용되는 나노 물질의 안전성은 박테리아를 죽이는 효율성만큼 중요합니다. 이 연구에서 우리는 GO 코팅 물질이 나노 물질의 독성을 효율적으로 감소시킬 수 있음을 보여주었습니다. AgNPs와 GO(Ag-GO)로 코팅된 폴리우레탄 호일은 항균성을 증가시켰을 뿐만 아니라 인간 세포에서 독성을 감소시켰습니다.

라만 분광법을 사용하여 산화 그래핀의 구조적 특징을 분석했습니다. 라만 스펙트럼의 G 밴드는 sp 2 에 해당합니다. 하이브리드 탄소 기반 재료 [26]. D 피크는 산소 작용기의 결합으로 인한 결함 또는 격자 무질서와 관련이 있다[27]. D 밴드의 강도는 sp 2 의 크기와 관련이 있습니다. 평면 내 도메인 [26]. 추가 밴드 D'는 탄소 재료의 흑연 구조에 존재하는 결함으로 인해 발생합니다. ID/IG 비율(D 및 G 밴드의 강도에서 계산)은 탄소 재료의 흑연 구조의 무질서를 특성화하는 데 사용할 수 있습니다. 입증된 바와 같이, GO는 흑연 분말의 산화 동안 형성된 구조의 많은 작용기로 인해 고도로 무질서한 구조를 갖는다[28].

ATR 모드에서 수집된 산화 그래핀의 FT-IR 스펙트럼은 GO가 카르복실 및 에폭시 기를 포함하여 구조에 존재하는 많은 작용기를 가지고 있으며 피크는 약 1720 cm − 1 인 것으로 나타났습니다. 및 915 cm − 1 , 약 1200 cm − 1 에 피크가 보이는 에폭시(C–O–C) , 및 C-H 결합(피크 약 2800 cm − 1 ). FT-IR 분석은 수산기, 카르복실기, 에폭시기 및 카르보닐기가 확인된 GO에 대해 수행된 XPS 측정과 잘 일치합니다[29].

나노 물질의 코팅은 초음파 기술로 수행되었으며, 이는 AgNP를 비롯한 다양한 물질에 항균 및 살균 물질을 코팅하는 효과적인 방법으로 확인되었습니다[30, 31]. 초음파는 캐비테이션 기포를 생성 및 붕괴시켜 높은 에너지와 압력을 발생시키는 캐비테이션 현상을 이용한다[32]. 고속으로 가속된 나노물질은 코팅된 물질과 충돌하여 표면에 증착된다[33]. 그러나 적절한 코팅 방법을 사용하는 것뿐만 아니라 표면에 더 쉽게 부착될 수 있는 나노 물질로 복합 재료를 만들면 나노 물질 증착의 효율성을 높일 수 있습니다. GO는 나노물질과 표면이 서로 다른 안정적인 합성물을 만드는 데 유리한 나노물질입니다. 탄소 원자가 6각형 패턴에 있는 독특한 구조로 인해 카르복실 및 하이드록실 그룹을 포함하여 근접한 많은 산소 함유 작용기가 있는 GO는 공유 결합 또는 정전기 상호 작용을 형성하는 경향이 있습니다[34]. 일반적으로 GO-나노 입자 복합체는 정전기 또는 공유 상호 작용을 통해 GO 표면에 금속 이온 또는 금속 나노 입자를 부착하여 합성됩니다. 또한, 금속 이온 및/또는 GO의 환원은 공유 결합을 형성하기 위해 수행됩니다[35]. Ag-GO 복합재는 Ag + 의 제자리 환원에 의해 초음파 처리를 사용하여 만들어졌습니다. [36, 37] 뿐만 아니라 AgNP의 증착[12]에 의해. 이전 보고서에서 우리는 초음파 방법을 사용하여 폴리우레탄 호일에 Ag-GO 코팅된 나노플랫폼을 합성할 수 있음을 보여주었습니다[25]. 그러나 초음파 처리는 폴리우레탄 호일을 나노 물질로 코팅할 뿐만 아니라 Ag-GO 복합물의 형성으로 이어졌습니다. 포일을 코팅하기 전에도 Ag-GO 복합재의 형성은 코팅 후 AgNP의 안정성을 높일 수 있었습니다.

우리 연구에서 섬유아세포와 HUVEC는 세포독성 연구에 사용되었으며 닭 배아 융모요막 분석에 사용되었습니다. 피부 섬유아세포는 생체 내 분석과 비교하여 피부 자극 연구에 대한 좋은 모델로 간주되는 반면[38], HUVEC 세포독성을 포함한 내피 세포는 생의학 응용 분야에서 나노입자의 가능성 있는 직접 접촉 가능성과 나노입자에 대한 이러한 세포의 민감성으로 인해 종종 연구됩니다[38]. 39, 40]. 닭 배아 융모요막은 물질 독성 및 급성 독성 연구를 포함한 다양한 독성 연구를 위한 설치류 모델에 대한 대체 생체 내 모델입니다[41, 42].

섬유아세포와 HUVEC는 AgNP로 코팅된 나노플랫폼보다 Ag-GO에서 성장했을 때 더 높은 생존력을 보였습니다. 또한, AgNP 나노플랫폼은 융모요막의 형태학적 변화를 일으킨 반면, GO 및 Ag-GO 나노플랫폼의 경우 세포 형태는 대조군과 유사하였다. Ag-GO 나노플랫폼에 대한 독성 감소는 GO와의 복합체에서 AgNPs의 더 높은 안정성과 나노플랫폼에서 AgNPs의 더 나은 증착의 결합된 효과로 인해 발생할 수 있습니다. 동물 세포의 독성은 나노입자가 직접 침투 또는 세포내이입(endocytosis)에 의해 세포에 들어간 후에 종종 더 심각합니다[43]. 나노입자 엔도사이토시스는 크기와 모양에 따라 다릅니다. 더 큰 입자와 합성물은 크기가 약 45 nm인 입자보다 더 적은 범위로 흡수됩니다[44]. endocytosis와 나노 물질의 모양 또는 크기 사이의 가장 두드러진 관계는 탄소벽 나노튜브의 특징입니다. 길이가 1 μm 미만인 나노튜브는 직접 확산을 통해 원형질막을 효과적으로 침투하는 반면, 식세포작용 또는 세포내이입 경로는 더 긴 나노튜브 및 덩어리를 내부화합니다[45]. 최근 Ag-GO 나노복합체는 J774 대식세포에 의해 내부화되는 것으로 나타났으며, 이는 AgNP보다 약 60% 적습니다. 그러나 Ag-GO가 더 많은 ROS를 유도하기 때문에 세포에 대한 전반적인 독성이 더 높았다[46]. 추가적으로, 나노입자의 형태 의존적 내재화에 대한 동역학적 분석은 구형 크기의 나노입자가 일반적으로 평평한 입자보다 훨씬 빠르게 내재화된다는 것을 보여줍니다[47]. 더욱이, 인간 세포에 대한 나노입자의 독성은 일반적으로 크기 의존적이며, 작은 입자는 더 강한 세포독성 특성을 나타냅니다. RAW에 대한 AgNPs의 크기 의존적 세포독성에 대한 연구에서, 264.7 대식세포와 L929 섬유아세포 나노입자는 더 큰 나노입자(80, 113 nm)로 처리한 후보다 20nm AgNP로 처리한 후 생존율이 더 낮았습니다[13]. 따라서 Ag-GO 복합체의 크기가 증가하고 표면에 안정한 침착으로 인해 세포가 나노입자를 흡수하는 능력이 감소하기 때문에 Ag-GO 나노플랫폼에서 배양된 HUVEC와 섬유아세포의 생존율이 더 높게 관찰될 수 있습니다. 피>

AgNP 및 Ag-GO 나노플랫폼은 섬유아세포에 의한 IL-8의 방출 수준을 유의하게 감소시켰다. GO 및 Ag-GO 나노플랫폼은 TNF-β의 방출을 증가시켰습니다. 또한, AgNP, GO 및 Ag-GO 나노플랫폼은 IL-6의 방출을 감소시켰습니다. 흥미롭게도, 섬유아세포에 의한 전염증성 단백질 합성의 변화는 AgNP 또는 GO로 코팅된 나노플랫폼에서 세포의 배양과 관련이 있습니다. Ag-GO에서 배양된 세포의 합성 수준은 이러한 나노물질 중 하나만으로 코팅된 나노플랫폼에서 배양된 것과 다르지 않았으며, 이는 복합물의 합성 후에 생물학적 활성이 변하지 않았음을 시사합니다. 섬유아세포는 염증 반응을 시작하고 급성 염증에서 조직 복구로의 전환을 촉진함으로써 염증 및 리모델링 과정에서 중요합니다[48, 49]. 따라서 염증성 사이토카인의 섬유아세포 분비 분석은 나노플랫폼에 대한 면역학적 반응을 예측하는 데 중요합니다. IL-6과 IL-8은 모두 섬유아세포에 의한 합성 후 면역 반응의 활성화를 유도하는 주요 염증성 사이토카인 중 하나입니다[50, 51]. IL-6의 인간 표피 각질 세포 합성 수준은 AgNP로 처리한 후 감소합니다[52]. 유사하게, AgNPs에 의한 IL-6 방출의 억제는 Jurcat 세포에서 입증되었으며 MAPK 경로를 포함합니다. AgNP는 또한 종양 괴사 인자 알파(TNF-α)의 합성 수준을 감소시킵니다[53]. TNF-α와 구조와 기능이 매우 유사한 TNF-β는 급성 염증 단계에서 중요한 염증성 사이토카인입니다. 면역 세포는 염증의 급성기 동안 이러한 단백질의 방출에 주로 책임이 있지만 섬유아세포 및 다른 세포는 상처 치유의 초기 과정에서 염증성 사이토카인의 합성에 관여합니다[54]. GO 처리 후 TNF-α를 유도하는 활성은 RAW264.7 대식세포를 사용하여 입증되었으며[55], 이는 면역학적 자극을 시사합니다. 그러나 우리 연구에서 분석된 대부분의 전염증성 단백질의 방출 수준은 GO 및 Ag-GO 나노플랫폼에서 세포를 배양한 후에도 변경되지 않았습니다. 따라서 이러한 분석은 GO 및 Ag-GO 나노플랫폼이 모두 우수한 생체적합성을 가지며 강한 면역학적 반응을 일으키지 않아야 함을 시사합니다.

결론

결론적으로, 제시된 결과는 Ag-GO 복합재로 코팅된 나노플랫폼이 S의 더 강한 성장 억제를 보여주었다는 것을 보여준다. 장염 AgNP 및 GO 코팅된 나노 플랫폼보다 더욱이 Ag-GO 합성물은 AgNP로 코팅된 나노플랫폼과 비교하여 섬유아세포, HUVEC 및 닭 배아 융모요막에 대한 세포독성을 유의하게 감소시켰다. 섬유아세포와 HUVEC의 세포 생존율은 Ag-GO 나노복합체로 코팅된 나노플랫폼에서 배양되었을 때 변화되지 않아 AgNP 독성의 억제를 보여주었다. 이러한 결과는 낮은 면역학적 자극과 함께 GO가 나노복합체에서 다양한 나노물질의 세포독성 감소에 사용될 수 있음을 시사합니다. 또한, 결과는 Ag-GO 나노플랫폼이 생물의학 응용 분야에 사용하기 위해 고려될 수 있음을 시사합니다. 그러나 상처 드레싱을 포함한 특정 응용 분야에 대한 Ag-GO 나노 플랫폼을 평가하려면 추가 연구가 필요합니다.

자료 및 방법

나노물질로 코팅된 나노플랫폼의 준비 및 특성화

나노입자로 코팅된 폴리우레탄 호일로 만든 나노플랫폼은 이전에 설명한 대로 준비되었습니다[25]. 사각형 모양의 폴리우레탄 호일(15 × 15 mm, 0.05 mm 두께)은 Amepox 및/또는 GO 합성에 의해 개발된 폴리비닐 알코올의 존재 하에 화학적 환원 반응에 의해 합성된 AgNP(HydroSilver1000, Amepox, Łódź, Poland)의 현탁액으로 덮였습니다. Hummers의 방법을 수정했습니다. 흑연 분말 10g을 10°C 미만의 온도에서 진한 황산(98%)(Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) 230㎖와 혼합하였다. 이어서, 4.7g의 질산나트륨(Sigma-Aldrich) 및 30 g의 과망간산칼륨(Sigma-Aldrich)을 온도를 10°C 미만으로 유지하면서 흑연 혼합물에 첨가하였다. 그 다음, 혼합물을 30℃로 가열하고 2시간 동안 교반하였다. 이어서, 물 100ml를 첨가하고 혼합물을 과산화수소 10ml로 처리하였다. GO를 여과에 의해 정제하고 여과액의 pH가 6.5에 도달할 때까지 탈이온수로 세척하였다. GO, AgNPs 및 AgNPs와 GO의 합성물(Ag-GO) 현탁액은 탈이온수에서 준비되었습니다. 코팅하는 동안 나노물질의 농도는 다음과 같았다:GO, 200 mg/l; AgNPs, 100 mg/l; Ag-GO, 200 mg/l; 및 AgNPs, 100 mg/l. 30 ± 1 °C의 온도에서 초음파 혼(Ti 혼, Ø13 mm, 60% 효율, 20 kHz; Sonics &Materials, Inc., Newtown, CT, USA)을 사용하여 나노입자 코팅을 수행했습니다. 덮인 샘플을 탈이온수로 세척하고 멸균 조건에서 건조했습니다. 주사전자현미경(SEM), 원자간력현미경(AFM) 및 측면간력현미경(LFM)을 사용한 나노플랫폼 특성화는 이전에 보고되었으며, 나노플랫폼이 거의 전체가 나노물질로 덮여 있음을 보여줍니다[25].

나노플랫폼을 얻기 위해 사용된 나노물질은 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 이미지화되었다. TEM 이미지는 Morada 11 메가픽셀 카메라(Olympus Corporation, Tokyo, Japan)와 함께 80 kV에서 JEM-1220 현미경(JEOL, Tokyo, Japan)을 사용하여 획득했습니다. 샘플은 하이드로콜로이드 방울을 formvar로 코팅된 구리 그리드(Agar Scientific, Stansted, UK) 위에 놓고 관찰 전에 공기 건조되도록 하여 준비했습니다.

라만 스펙트럼은 532nm 레이저 소스(Wotton-under-Edge, UK)가 있는 Renishaw inVia 분광계를 사용하여 수집되었습니다. 샘플의 가열을 피하기 위해 레이저 출력을 낮게 유지했습니다(샘플에서 보정된 0.3 mW). 라만 매핑 모드는 25개의 스펙트럼을 포함하는 약 10 × 10 μm의 스캔 영역에서 사용되었습니다. 두 개의 주요 밴드로 구성된 각 스펙트럼은 G 밴드(~ 1578 cm − 1 ) 및 D 밴드(~ 1347 cm − 1 ), Lorentzian 선 모양을 사용하여 적합했습니다. FT-IR 측정은 다이아몬드 결정에서 감쇠된 전체 반사율 모드에서 Nicolet iS10 분광계(Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA)를 사용하여 수행되었습니다. 그래핀 옥사이드 현탁액은 GO 얇은 포일을 만들기 위해 실온에서 폴리에틸렌 표면에서 건조되었습니다. 스펙트럼은 400–4000 cm − 1 범위에서 수집되었습니다. .

Zeta potential measurements of GO (20 mg/l), AgNPs (10 mg/l) and Ag-GO (GO 20 mg/l and AgNPs 10 mg/l) were carried out with a Nano-ZS90 Zetasizer (Malvern Instruments, Malvern, UK) at 25 °C, using the Smoluchowski approximation. Nanomaterials were sonicated for 30 min and zeta potential was immediately measured. Subsequently, nanomaterials were left for 24 h at room temperature and the zeta potential was measured again. Each measurement was repeated at least seven times after 60 s of stabilisation at 25 °C.

The hydrodynamic diameter of nanoparticles in water and their size distribution were measured with dynamic light scattering (DLS) using a Nano-ZS90 Zetasizer (Malvern). Similar to for the zeta potential analysis, GO (20 mg/l), AgNPs (10 mg/l) and Ag-GO (GO 20 mg/l and AgNPs 10 mg/l) were sonicated for 30 min and left for 24 h at room temperature. Each sample was measured at least seven times at 25 °C.

Bacterial Cultivation

Salmonella enteritidis subspecies enterica serovar Enteritidis (ATCC 13076) was obtained from LGC Standards (Łomianki, Poland). The bacteria were grown on tryptic soy agar (Merck Millipore, Darmstadt, Germany). The bacteria, grown on agar plates, were harvested by gently washing the plates with sterile distilled saline solution. To calculate the number of bacteria in the cell suspension, the optical density of the suspensions at 600 nm (OD600) was measured using a spectrophotometer (Helios Epsilon, Unicam, Milwaukee, WI, USA). A calibration curve was prepared by performing serial tenfold dilutions of bacterial suspensions of a known optical density, up to 10 − 5 . After 24 h of incubation at 37 °C, the number of formed colonies was enumerated and the number of colony-forming units (CFU) of the original bacterial suspension was calculated.

Bacteria Viability Assay

Viability was evaluated using a PrestoBlue Cell Viability Assay (Thermo Fisher Scientific). Bacteria were cultured onto foils coated with GO, AgNPs and Ag-GO, located on inserts inserted into six-well plates (200 μl MH broth with 5 × 10 3  CFU per foil) and incubated for 24 h. Subsequently, 90 μl of each sample was transferred to 96-well plates and 10 μl of PrestoBlue reagent was added to each well and incubated for an additional 2 h at 37 °C. The optical density of each well was recorded at 570 nm using a microplate reader (Infinite M200, Tecan, Durham, NC, USA). Bacteria viability was expressed as the relative value after substitution of the absorbance from the blank samples. Experiments were repeated three times.

Scanning Electron Microscopy Analysis

Bacteria were incubated on foils with Ag-GO and a sterile cover glass. Bacteria cultures (100 μl, 10 6  CFU/ml) were incubated on foils and a cover glass for 24 h at 37 °C. All samples were dried and covered with gold. Cells were fixed with 2.5% glutaraldehyde in phosphate-buffered saline (PBS, pH 7.2) and contrasted with 1% osmium tetroxide (Sigma-Aldrich) and 1% carbohydrazide (Sigma-Aldrich). Subsequently, cells were dehydrated in increasing concentrations of hexylene glycol (Sigma-Aldrich). Drying was performed using a Polaron CPD 7501 critical point dryer (Quorum Technologies, Laughton, UK). Finally, the samples were imaged with a SEM (FEI Quanta 200, Tokyo, Japan) at an acceleration voltage of 15 kV.

Human Cell Lines

Human umbilical vein endothelial cells (HUVECs; catalogue number:C0035C) and human fibroblasts (catalogue number:C0135C) were obtained from Thermo Fisher Scientific. HUVECs were maintained on low-serum Medium 200 basal media supplemented with Large Vessel Endothelial Supplement (Thermo Fisher Scientific) and 1% penicillin/streptomycin (Thermo Fisher Scientific), whereas fibroblasts were cultured in low-serum Medium 106 (Thermo Fisher Scientific) supplemented with Low Serum Growth Supplement (Thermo Fisher Scientific) and 1× penicillin/streptomycin (Thermo Fisher Scientific). Cells were maintained at 37 °C in a humidified atmosphere of 5% CO2 /95% air.

To analyse biological interactions, the nanoplatforms were put into six-well plates. After detachment from the cell culture flask, HUVECs or fibroblasts were placed directly on the nanoplatform with 100 μl of growth media. To avoid the media drying during incubations, plates were kept in humidity chambers.

Analysis of Nanoplatform Toxicity to HUVECs and Fibroblasts

To analyse HUVEC and fibroblast viability on the nanoplatforms, cells were cultured in the droplet directly on the nanoplatforms or uncoated foil (1 × 10 4 cells in 100 μl growth media). After 24 h of incubation, cell viability was analysed using a PrestoBlue assay (Thermo Fisher Scientific). PrestoBlue reagent was incubated with assessed cells for 2 h in a cell culture incubator. Subsequently, 50 μl of growth media with PrestoBlue reagent was transferred to a 96-well plate where fluorescence (excitation λ  = 560 nm, emission λ  = 590 nm) was analysed using a Tecan Infinite 200 microplate reader (Tecan, Durham, USA). Cell viability was expressed as the relative value after substitution of the fluorescence from blank samples. Experiments were repeated three times.

Fibroblast morphology was observed using an inverted optical microscope (Olympus Corporation) using phase contrast. Fibroblasts were seeded in 35-mm diameter Petri dishes directly on the nanoplatforms (1 × 10 4 cells in 100 μl growth media). Images were taken after 24 h of incubation.

Chorioallantoic Membrane Assay

Fertilised eggs from Ross 308 hens were obtained from a certified hatchery and kept for 4 days at 12 °C. The eggs were cleaned, sterilised with UVC light and divided into four groups (4 × 20 eggs). Embryos were incubated at standard conditions (temperature 37 °C, humidity 60% and turned once per hour). At 8 days of embryonic development, small holes (1 cm 2 ) were made in the shell above the air space, the inner membrane was gently striped off and the nanoplatforms were placed on the chicken embryo chorioallantoic membrane. Subsequently, chicken embryos were incubated for the next 48 h, when nanoplatforms were cut out with the chorioallantoic membrane that was directly below the nanoplatform. The chorioallantoic membrane on the nanoplatforms was imaged using a stereoscopic microscope (SZX10, Olympus Corporation).

Antibody Array Analysis

An analysis of inflammation cytokines in fibroblast growth medium was performed using an antibody array (Abcam, Cambridge, UK; catalogue number ab134003). Fibroblast cells (1 × 10 4 ) were incubated on nanoplatforms coated with AgNPs, GO, Ag-GO and uncoated foil with 100 μl of media. After 24 h, 80 μl of growth medium was collected. For each experimental group, the growth medium from six foils was used for analysis. Pooled growth medium from the six experiments was centrifuged (1600 rpm for 5 min), and 500 μl of growth media was diluted in 500 μl of PBS. Therefore, 1 ml of diluted growth media was used per each analysed membrane. The assay was performed in accordance with the manufacturer’s instructions. Diluted growth media was incubated with the membranes for 24 h at 4 °C. Subsequently, antibodies conjugated with biotins were added and incubated for the next 24 h at 4 °C. In the next step, the membranes were incubated with streptavidin conjugated with horseradish peroxidase for 2 h at room temperature. Membranes were visualised after the addition of the provided horseradish peroxidase substrate using a ChemiDoc imaging system (Bio-Rad, Hercules, USA).

Statistical Analysis

Data were analysed using one-way analysis of variance with GraphPad Prism 8 (GraphPad Software, San Diego, CA, USA). Differences between groups were tested with Tukey’s HSD post hoc tests. Results are shown as means with standard deviations. Differences at P  < 0.05 were considered significant.

데이터 및 자료의 가용성

The datasets used and/or analysed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.

약어

Ag-GO:

Composite of silver nanoparticles and graphene oxide

AgNPs:

Silver nanoparticles

CFU:

Colony-forming units

DLS:

동적 광산란

FT-IR:

푸리에 변환 적외선 분광기

GM-CSF:

Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor

이동:

산화 그래핀

HUVECs:

Human umbilical vein endothelial cells

IL-6:

Interleukin 6

IL-8:

Interleukin 8

SEM:

주사 전자 현미경

TEM:

투과 전자 현미경

TNF-α:

Tumour necrosis factor alpha

TNF-β:

Tumour necrosis factor beta


나노물질

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