بررسی مکانیزم عملکرد آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO
خاصیت آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO و ترکیبات آن از زمان‌های بسیار قدیم شناخته شده است. این ذرات در غلظت‌های کم، برای سلول‌های انسانی بی‌خطر است، اما برای اکثر باکتری‌ها و ویروس‌ها مضر است. بنابراین، کاربرد آن به‌منظور ضد عفونی کردن آب و غذا در زندگی روزمره و درمان عفونت در افراد رایج شده است. روی این توانایی را دارد که از ایجاد مقاومت دارویی در باکتری‌ها جلوگیری کند. این ویژگی ارزشمند در حال حاضر با ظهور تعداد زیادی از سویه‌های باکتری‌های بیماری‌زای مقاوم به آنتی‌بیوتیک‌ها، اهمیت پیدا کرده است. مطالعات زیادی وجود دارد که فعالیت این نانوذرات در برابر انواع مختلف باکتری‌ها و قارچ‌ها، مکانیزم عملکرد آن‌ها، وابستگی فعالیت آن‌ها به پارامترهای مختلف را مورد بررسی قرار داده است.
در حال حاضر، چهار مکانیزم برای بررسی دقیق عملکرد نانوذرات ZnO بر روی میکروارگانیسم‌ها پیشنهاد شده که در شکل زیر نشان داده شده است: برهمکنش الکترواستاتیکی بین نانوذرات ZnO و دیواره سلولی، که منجر به تخریب یکپارچگی سلول‌های باکتریال می‌شود. انتشار یون‌های آنتی‌باکتریال Zn2+، تجمع نانوذرات ZnOدر سلول‌های باکتریال و تشکیل گونه‌های فعال اکسیژن.
مکانیزم اثر آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO.
تجمع نانوذرات ZnO در سلول‌های باکتریایی به‌منظور عملکرد آنتی‌باکتریال
براینر و همکاران در طول مطالعه خود نشان دادند که نانوذرات ZnO فعالیت آنتی‌باکتریال در برابر باکتری اشرشیاکُلی از خود نشان دادند. نانوذرات ZnO در محیط دی اتیلن گلیکول با هیدرولیز تحریک شده نمک‌های Zn2+ سنتز شدند. اندازه و شکل ذرات با افزودن مولکول‌ها و ماکرومولکول‌های کوچک، مانند اکسید تری-ان-اکتیل فسفین، سدیم دودسیل سولفات، پلی اکسی اتیلن استئاریل اتر و آلبومین سرم گاوی کنترل شد. آزمایشهای آنتی‌باکتریال در محیط لوریا برتانی با استفاده از صفحات جامد آگار و در سیستم‌های مایع با غلظت‌های مختلف مولکول‌های کوچک و درشت مولکول‌ها و همچنین با نانوذرات ZnO انجام شد. در غلظت تقریبی 3 تا 10 میلی مولار، نانوذرات ZnO باعث مهار کامل رشد باکتری شدند. تجزیه و تحلیل TEM از مناطق باریک باکتریایی برای مطالعه اثر بیوسیدی مواد ZnO استفاده شد. مطابق شکل زیر، در اثر متقابل باکتری اشرشیاکُلی و ZnO غشاهای باکتری ها آسیب دیدند که منجر به افزایش نفوذپذیری غشاء و سپس تجمع نانوذرات ZnO در غشای باکتری شد.
جانشانی نانوذرات ZnO در سلول‌های باکتریایی( 3-10 مولار).
انتشار یون‌های فعال Zn به‌منظور عملکرد آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO
تجمع نانوذرات ZnO در سلول‌های باکتریایی با مکانیزم آنتی‌باکتریال دیگری همراه است که به اصطلاح آزادسازی یون‌های Zn نامیده می‌شود. هاینلان و همکارانش ثابت کردند که سمیت نانوذرات ZnO برای باکتری ویبریو فیشری توسط یون‌های محلول روی ایجاد می‌شود. یونZn2+ آزاد تأثیر قابل توجهی بر مهار فعال انتقال و متابولیسم باکتری‌ها دارد. علاوه‌بر‌این، یون‌های محلول Zn می‌توانند باعث تخریب دیواره سلولی و غشاء شوند و می‌توانند نفوذپذیری غشا را تغییر دهند. این می‌تواند احتمال ورود نانوذرات ZnO به سلول را افزایش دهد. این مکانیزم عملکرد نانوذرات ZnO ، بر روی باکتری‌های استرپتوکوکوس آگالاکتیه و استافیلوکوکوس اورئوس، در شکل زیر نشان داده شده است. نانوذرات ZnO در محیط آبی اتیلن گلیکول توسط هیدرولیز نمک‌های Zn2+ سنتز شدند. اندازه و شکل ذرات با افزودن سورفکتانت‌های مختلف(سدیم دودسیل سولفات، پلی وینیل الکل) کنترل شد. آزمایشهای آنتی‌باکتریال در صفحات جامد آگار و در سیستم‌های مایع با غلظت‌های مختلف ZnO انجام شد. اثر بیوسیدی ZnO با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری مقاطع بسیار باریک باکتری، مورد بررسی قرار گرفت. مهار نسبتا کامل رشد باکتری در غلظت 12/0 مول بر لیتر از نانوذرات ZnO، مشاهده شد. مطابق شکل زیر، پس از تماس نانوذرات ZnO با استافیلوکوکوس آگالاکتیه و استافیلوکوکوس اورئوس، غشای سلولی آن‌ها در نتیجه اصلاح نانوذرات و تشکیل یون‌های Zn2+، آسیب دید که باعث مرگ باکتری‌ها شد.
تصاویر TEM از قسمت‌های باریک دیواره باکتری با نانوذرات ZnO جانشانی شده ( 3-10 × 6/1 مولار). (a,b) استرپتوکوکوس آگالاکتیه (c,d) استافیلوکوکوس اورئوس.
تشکیل گونه‌های اکسیژن فعال به‌منظور عملکرد آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO
مکانیزم پیشنهادی دیگر برای فعالیت آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO، مبتنی بر تشکیل اشکال اکسیژن فعال از آب و اکسیژن است که یکپارچگی غشای باکتری را از بین می‌برد. ZnO یک نیمه‌هادی با باندگپ گسترده است. یعنی تابش ZnO با انرژی فوتون بالاتر از نوار ممنوعه آن باعث می‌شود که الکترون‌ها از نوار ظرفیت به نوار رسانایی حرکت کنند. این منجر به تشکیل یک ناحیه مثبت (حفره) در نوار ظرفیت و یک الکترون آزاد در نوار هدایت می‌شود. در سطح نانوذرات ZnO، این حفرات با گروه‌های هیدروکسیل برهمکنش کرده و آب را جذب می‌کنند تا رادیکال‌های هیدروکسیل ایجاد کنند. در حضور اکسیژن، یک الکترون واحد در نوار رسانایی یک یون سوپراکسید ایجاد می‌کند که می‌تواند به رادیکال هیدروکسیل نیز تبدیل شود. مشتقات این اکسیژن فعال به سلول باکتری آسیب می‌رساند و این می‌تواند باعث مهار رشد باکتری شود.
فعالیت آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO، مستقیما به شکل، اندازه، غلظت و روش تولید نانوذرات و همچنین نوع میکروارگانیسم موثر بر آن‌ها، بستگی دارد.