سنتز و بررسی کارآیی نانوکامپوزیت اسفنج پلی اورتانی سلول باز- اکسید نقره در گندزدایی آب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد شیمی کاربردی، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

2 دانشیار، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران. *(مسئول مکاتبات).

3 دانشیار، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

4 دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی کاربردی، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

10.22034/jest.2018.25544.3443

چکیده

زمینه و هدف: یکی از مهم­ترین و کارامدترین روش­ها برای میکروب زدایی و تصفیه آب استفاده از نانوتکنولوژی می­باشد. پخش نانوذرات اکسید نقره در ماتریس­های پلیمری مختلف، به­ ویژه ماتریس اسفنج پلی­اورتانی سلول­باز برای تهیه نانوکامپوزیت­های ضدمیکروبی با نسبت سطح به حجم بالا، می‌تواند روشی کارا در فرآیند تصفیه و ضدعفونی آب  باشد.
روش بررسی: در پژوهش حاضر نانوذرات اکسید نقره داخل مواد اولیه اسفنج پلی‌اورتانی سلول‌باز پخش و در ادامه اسفنج پلی­اورتانی باروش One-shot سنتز گردید. در ادامه قابلیت استفاده از اسفنج پلی­اورتانی سنتز شده به عنوان عامل ضد باکتریایی جهت گندزدایی آب  با روش "شمارش کلنی­ها" (کاهش تعداد باکتری­های آب آلوده با گذشت زمان) مورد بررسی قرار گرفت. همچنین سوسپانسیون                 نیم مک فارلند (CFU/ml 108×5/1) رقیق شده با سرم بیولوژیکی (2:1) از باکتری‌های اشریشیا کلی و استافیلوکوکوس به عنوان آب آلوده به کارگرفته شدند. در نهایت خواص ساختاری اسفنج سنتز شده با استفاده از تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) و طیف مادون قرمز تبدیل فوریهFT-IR)) مورد بررسی قرار گرفت.
یافته­ها: در پایان 12 ساعت آزمون ضدباکتریایی مشخص گردید، نانوکامپوزیت تهیه شده خاصیت ضدباکتریایی قابل قبولی در برابر باکتری اشریشیاکلی و استافیلوکوکوس دارد. همین طور یافته­ها نشان دادند، نانوکامپوزیت در شرایط معینی پس از 6 و 8 ساعت  به ترتیب از رشد باکتری­های استافیلوکوکوس ارئوس و اشریشیا کلی جلوگیری کرده است. به­ طوری که پس از 6 و 8 ساعت برخورد با نانوکامپوزیت، تعداد باکتری­های استافیلوکوکوس ارئوس و اشریشیا کلی موجود در آب آلوده به ترتیب 100 (CFU/ml 106*0t6=  CFU/ml,  106*50 t0=) و 30 (CFU/ml 106*35t8=  CFU/ml,  106*50 t0=) درصد کاهش یافته­ بودند.
بحث و نتیجه­گیری: با توجه به نتایج بدست آمده توسعه این اسفنج­ها و بکارگیری آن­ها در فرایند تصفیه آب می­تواند سبب کاهش چشم­گیر استفاده از داروهای شیمیایی جهت کنترل عفونت‌ها شود. نانوذرات اکسید نقره به ­دلیل نسبت سطح به حجم بالا و
 برهم­کنش­هایی که با دیواره باکتری­ها دارند باعث آسیب به دیواره باکتریایی شده و ساختار سلولی باکتری­ها را ازبین می­برند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و دوم، شماره چهار، تیر  ماه 99

سنتز و بررسی کارآیی نانوکامپوزیت اسفنج­ پلی­اورتانی سلول­باز- اکسید نقره در گندزدایی آب

 

حمیدرضا اشجاری باسمنج[1]

 میر سعید سید دراجی*[2]

dorraji@znu.ac.ir

محمدحسین رسولی فرد[3]

مریم مقدم [4]

شیما شیخ محمدی4

تاریخ دریافت:21/02/95

تاریخ پذیرش: 23/09/96

چکیده

زمینه و هدف: یکی از مهم­ترین و کارامدترین روش­ها برای میکروب زدایی و تصفیه آب استفاده از نانوتکنولوژی می­باشد. پخش نانوذرات اکسید نقره در ماتریس­های پلیمری مختلف، به­ ویژه ماتریس اسفنج پلی­اورتانی سلول­باز برای تهیه نانوکامپوزیت­های ضدمیکروبی با نسبت سطح به حجم بالا، می‌تواند روشی کارا در فرآیند تصفیه و ضدعفونی آب  باشد.

روش بررسی: در پژوهش حاضر نانوذرات اکسید نقره داخل مواد اولیه اسفنج پلی‌اورتانی سلول‌باز پخش و در ادامه اسفنج پلی­اورتانی باروش One-shot سنتز گردید. در ادامه قابلیت استفاده از اسفنج پلی­اورتانی سنتز شده به عنوان عامل ضد باکتریایی جهت گندزدایی آب  با روش "شمارش کلنی­ها" (کاهش تعداد باکتری­های آب آلوده با گذشت زمان) مورد بررسی قرار گرفت. همچنین سوسپانسیون                 نیم مک فارلند (CFU/ml 108×5/1) رقیق شده با سرم بیولوژیکی (2:1) از باکتری‌های اشریشیا کلی و استافیلوکوکوس به عنوان آب آلوده به کارگرفته شدند. در نهایت خواص ساختاری اسفنج سنتز شده با استفاده از تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) و طیف مادون قرمز تبدیل فوریهFT-IR)) مورد بررسی قرار گرفت.

یافته­ها: در پایان 12 ساعت آزمون ضدباکتریایی مشخص گردید، نانوکامپوزیت تهیه شده خاصیت ضدباکتریایی قابل قبولی در برابر باکتری اشریشیاکلی و استافیلوکوکوس دارد. همین طور یافته­ها نشان دادند، نانوکامپوزیت در شرایط معینی پس از 6 و 8 ساعت  به ترتیب از رشد باکتری­های استافیلوکوکوس ارئوس و اشریشیا کلی جلوگیری کرده است. به­ طوری که پس از 6 و 8 ساعت برخورد با نانوکامپوزیت، تعداد باکتری­های استافیلوکوکوس ارئوس و اشریشیا کلی موجود در آب آلوده به ترتیب 100 (CFU/ml 106*0t6=  CFU/ml,  106*50 t0=) و 30 (CFU/ml 106*35t8=  CFU/ml,  106*50 t0=) درصد کاهش یافته­ بودند.

بحث و نتیجه­گیری: با توجه به نتایج بدست آمده توسعه این اسفنج­ها و بکارگیری آن­ها در فرایند تصفیه آب می­تواند سبب کاهش چشم­گیر استفاده از داروهای شیمیایی جهت کنترل عفونت‌ها شود. نانوذرات اکسید نقره به ­دلیل نسبت سطح به حجم بالا و
 برهم­کنش­هایی که با دیواره باکتری­ها دارند باعث آسیب به دیواره باکتریایی شده و ساختار سلولی باکتری­ها را ازبین می­برند.

واژه­های کلیدی: اسفنج پلی­اورتانی سلول­باز، نانوکامپوزیت و گندزدایی.

 


 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 22, No.4,June, 2020

 

 


Synthesis and Investigation of Open Cell Polyurethane Sponge-Silver Oxide Nanocomposite Efficacy in Water Disinfection

 

H.R. Ashjari-Basmenj[5]

M. S. Seyed Dorraji*[6]

dorraji@znu.ac.ir

M. H. Rasoulifard[7]

 M. Moghadam[8]

S. Sheikh Mohammadi4

Accepted: 2017.12.14

Received: 2016.05.10

Abstract

Background and Objective: The use of nanotechnology is one of the most important and effective methods for microbial enumeration and water treatment. Dispersing the silver oxide nanoparticles in different polymer matrixes (in particular, open cell polyurethane sponge matrixes) can be an efficient way in the water treatment and microbial enumeration.

Method: In the present study, the silver oxide nanoparticles were dispersed into the open cell polyurethane sponge raw materials and then, the polyurethane sponge was synthesized using a One-shot method. In addition, the usability of synthesized polyurethane sponge as an antibacterial agent for water disinfection was investigated by using "plate counting" (reducing the bacteria number in contaminated water over time) method. Also the 0.5 McFarland (1.5*108 CFU/ml) suspensions diluted with biomass serum (1:2) of Escherichia coli and Staphylococcus aureus were used as contaminated water. Ultimately, the structural properties of synthetic sponges were investigated using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR).

Findings: The end of 12 hours has been recognized the antimicrobial activities of the prepared sponges against Escherichia coli and Staphylococcus are acceptable. The results indicated that the antimicrobial activities of the prepared sponges against Escherichia coli and Staphylococcus are acceptable. The results also showed that nanocomposite in certain conditions after 6 and 8 hours prevented the growth of Staphylococcus aureus and Escherichia coli bacteria, respectively. So that after 6 and 8 hours contact with the nanocomposite, the number of Staphylococcus aureus and Escherichia coli bacteria in contaminated water was reduced by 100% (t0=50*106 CFU/ml, t6=0*106CFU/ml) and 30% (t0=50*106 CFU/ml, t8=35*106CFU/ml), respectively.

Discussion and conclusion: Development and utilization of antimicrobial sponges in water treatment processes can reduce the use of chemical agents to infection control. Silver oxide nanoparticles, due to the high surface-to-volume ratio and interactions with the bacterial cell walls, cause damage to the bacterial cell walls and destroy the cellular structure of the bacteria.

Keywords: Open Cell Polyurethane Sponge, Nanocomposite and Disinfection

مقدمه

 

آب سالم برای زندگی انسان بسیار حیاتی می‌باشد. افزایش وقوع خشک­سالی‌ها، مصرف بیش از حد آب، رشد جمعیت و بهبود استانداردهای بهداشتی جهان، مساله تأمین آب شیرین را با چالش‌های متعددی روبرو ساخته است (1-3). همان طور که می­دانید آب یکی از مستعدترین محیط‌ها برای رشد و تکثیر عوامل بیماری‌زا می‌باشد. یکی از مهم‌ترین نشانه­های  آلودگی آب حضور باکتری در آن است. گندزدایی آب از باکتری‌های آلاینده با استفاده از روش­های مختلفی مثل صافی غشایی، استفاده از نور فرابنفش، پرتوهای یونیزه کننده، حرارت، امواج فراصوت، استفاده از کلر و سایر ترکیبات شیمیایی، که موجب کاهش بسیار زیاد نرخ مرگ و میر در سطح جهانی می­باشد، انجام می­شود (4-7). استفاده بی‌رویه و طولانی‌مدت از مواد دارویی جهت کنترل بیماری‌های عفونی، سبب مقاوم شدن سویه‌های فراوانی از باکترهای مختلف در برابر این مواد می­گردد؛ بنابراین استفاده از شیوه‌های جایگزین به دلیل  مقاومت عوامل بیماری‌زا در برابرمواد دارویی و محدودیت استفاده بیش‌ازحد از داروها، امری ضروری به نظرمی‌رسد (8، 9).

در دهه‌های گذشته تحقیقات گسترده‌ای جهت استفاده از زئولیت‌های طبیعی و مصنوعی، فیلم‌های پلیمری و یون‌های فلزی نظیر یون نقره انجام گرفته است. اخیراً استفاده از نانو تکنولوژی جهت تصفیه و ضدعفونی نمودن آب بسیار مورد توجه می‌باشد. نانوذرات مختلف به دلیل نسبت سطح به حجم بالا در بسیاری از زمینه‌ها کارامد می‌باشند. تحقیقات گسترده‌ای بر روی اثرات ضدباکتریایی نانوذرات مختلف                  و همچنین نانوکامپوزیت‌ها صورت گرفته است. استفاده از نانوذرات فلزی جهت فرآیند ضدعفونی آب تکنیک جدیدی است (12،10،4). قبل از استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها ترکیبات مختلف نقره به جهت خاصیت ضد میکروبی در درمان زخم‌ها و سوختگی‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفتند. همچنین امروزه نیز به دلیل محدودیت‌های استفاده از ترکیبات آلی به عنوان عوامل ضدمیکروبی، ترکیبات معدنی به‌ویژه نقره بسیار مورد توجه می­باشند. ترکیبات معدنی با مکانیسم­های مثل آزاد کردن یون­های مثبت، نفوذ ذرات به درون سلول باکتریایی و ... ساختار­های باکتریایی را از بین می­برند (8). علاوه بر آن وجود برهم­کنش و اتصال اغلب نانوذرات معدنی مختلف به ترکیبات اورتانی در نتیجه­ی وجود گروه‌های کربامات در ساختارهای پلی‌اورتان­ها، امکان جاسازی نانوذرات در ماتریس پلی­اورتان­ها را فراهم می­آورد . اسفنج‌های پلی‌اورتانی انعطاف­پذیر به دلیل قیمت پایین و نسبت سطح به حجم بالا، امکان برخورد بیش­تر باکتری‌ها با نانوذرات فراهم می­آورند. این نوع از اسفنج­ها به ­ویژه اسفنج سلول­باز به­ دلیل نسبت سطح به حجم بالای خود سطح برخورد بالایی را با آلاینده­ها ایجاد می­کنند. در کنار آن حضور نانوذرات در سطح اسفنج­های سلول­باز سطح برخورد بسیار بالایی را ایجاد خواهد نمود. همچنین پخش نانوذرات در ماتریس پلیمرها فرایند بازگردانی آن­ها برای استفاده دوباره را بسیار آسان­تر می­کند (4). در این زمینه در سال 1990 اکویاما و همکارانش با پخش زئولیت­های حاوی یون فلزات (نقره، مس و روی) فوم­های پلی­اورتانی انعطاف­پذیر ضدباکتریایی تهیه نمودند (13). در همین راستا در سال 2004 فوم­های پلی­اورتانی پوشش داده شده با نانوذرات نقره جهت تصفیه میکروارگانیسم­های موجود در آب مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل وجود خاصیت ضدباکتریایی در فوم مذکور در مقابل باکتری اشرشیاکلی را اثبات نمود (14). همچنین اطهرالسادات شهیم و همکارانش در سال 2015 کامپوزیت­های زئولیت نقره، فوم­های پلی­اورتانی را تهیه کرده و به عنوان فیلتر آب جهت تصفیه آب آلوده به باکتری استرپتوکوکوس اینیایی مورد استفاده قرار دادند (15). در ادامه تاثیر نانوذرات اکسید روی و کادمیوم سولفید  به­ عنوان عامل ضدباکتریایی، اخیرا توسط سید دراجی و همکارانش مورد بررسی قرار گرفتند (16، 17).

هدف از این پژوهش تهیه و بررسی کارایی نانوکامپوزیت ضدمیکروبی پلی­اورتانی (اسفنج پلی‌اورتانی سلول­باز/ اکسید نقره) در برابر باکتری­های اشریشیا کلی و استافیلوکوکوس ارئوس می‌باشد. که در این راستا نانوذرات اکسید نقره به­ عنوان عوامل ضدباکتریایی در داخل مواد اولیه سازنده اسفنج پلی اورتانی پخش شده و سپس نانوکامپوزیت تهیه می­شود.

 

مواد و روش‌ها

مواد مورد استفاده

نانوذرات اکسید نقره با اندازه 20-50 نانومتر خریداری شدند. جهت سنتز فوم پلی‌اورتانی سلول باز، پلی‌ال48) (mgOH Number، تولوئن دی ایزوسیانات، کاتالیست آمینی، کاتالیست قلع وسیلیکون سورفاکتانت از شرکت­های معتبر تهیه شدند. همچنین در این پروژه جهت سنتز اسفنج پلی‌اورتانی از روش One-shot استفاده شد (18، 19).

سنتز نانوکامپوزیت پلی‌اورتانی سلول‌باز

ابتدا 5/0 گرم از نانوذرات اکسید نقره داخل مخلوط 100 گرم پلی‌ال و 3 گرم پودر کربوهیدرات پخش و به‌خوبی هم زده شد. سپس 4/4 گرم آب مقطر، 1 گرم سیلیکون سورفاکتانت، 07/0 گرم کاتالیست آمینی (دابکو) و 065/0گرم کاتالیست قلع (کاسموس) به مخلوط اضافه و هم زده شد. در ادامه 55 گرم تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) به محلول حاصل از مرحله قبل اضافه گردید و به مدت 7 ثانیه به‌شدت هم زده شد. درنهایت محلول ژله‌ای حاصل داخل قالب 15×15×15 سانتی متری ریخته شده و نانوکامپوزیت موردنظر سنتز گردید و پس از 72 ساعت مورداستفاده قرار گرفت. جهت کنترل تأثیر اسفنج معمولی فاقد نانوذرات اکسید نقره بر رشد باکتری‌ها، این نوع اسفنج نیز  با روش ذکرشده در بالا سنتز گردیده و به‌عنوان شاهد مورد بررسی قرار گرفت (18، 19).

در ادامه اسفنج­های مورد نظر در مقادیر 1/0گرم برش داده شده و مورد ارزیابی قرار گرفتند. خاصیت ضد باکتریایی اسفنج­ها در برابر باکتری اشریشیا کلی و استافیلوکوکوس ارئوس با روش «شمارش کلنی‌ها» مورد ارزیابی قرار گرفت(20، 21).

 

 

 

آنالیزهای انجام شده

 جهت مشاهده پخش نانوذرات در ساختار فوم و همچنین بررسی مورفولوژی سلولی آن از تکنیک

(SEM (model: AIS2100, Seron Technology Co و به منظوربررسی برهم­کنش بین نانوذرات و فوم پلی‌اورتانی از طیف سنجی   FT-IR (Perkin- Elmer)استفاده گردید (22، 23).

آزمون ضدباکتریایی

سویه­های خالص باکتری­های اشریشیاکلی و استافیلوکوکوس به عنوان عوامل آلوده کننده آب از دانشگاه علوم پزشکی زنجان تهیه گردیدند (4). نوترینت آگار به عنوان محیط کشت باکتری­ها استفاده گردید. کلیه ظروف شیشه­ای مورد استفاده در دمای 120درجه سانتی گراد و به مدت 15دقیقه استریل شدند. براساس آزمون ضدباکتریایی «شمارش کلنی‌ها» سوسپانسیون نیم مک فارلند (CFU/ml 108×5/1) از باکتری‌ها در سرم بیولوژیکی به عنوان سوسپانسیون مادر تهیه شد. جهت انجام آزمون ضدباکتریایی اسفنج پلی­اورتانی خالص و اسفنج حاوی نانوذرات اکسید نقره داخل 2 میلی لیتر سوسپانسیون باکتریایی (108 کلنی) غوطه­ور شدند. سپس در فواصل زمانی مشخص، پس از تماس عامل ضدباکتریایی با باکتری‌ها، حجم مشخصی (20 میکرو لیتر) از سوسپانسیون (با تعداد باکتری مجهول) کشت داده شد و پس از رشد آن‌ها با شمارش تعداد کلنی‌های تشکیل شده، تعداد باکتری‌های موجود در آن حجم مشخص شدند. با توجه به این ­که تعداد باکتری‌های موجود در سوسپانسیون باکتری در زمان صفر نیز مشخص می‌باشد (CFU/ml 108×5/0) بنابراین با این روش می‌توان درصد کاهش باکتری­ها را، در اثر برخورد با اسفنج حاوی نانوذرات، پس از زمان مشخص به دست آورد.

شکل 1 نحوه محاسبه میزان کاهش تعداد باکتری‌ها را پس از برخورد با اسفنج پلی­اورتانی ضدمیکروبی نشان می‌دهد.

 

 

شکل 1 -نحوه انجام آزمون ضدباکتریایی، (a) کاهش تعداد باکتری­های آب آلوده در حضور عامل ضدباکتریایی باگذر زمان و (b) تعداد باکتری­های رشد کرده در محیط کشت پس از برخورد با عامل ضدباکتریایی در مدت زمان­های مختلف

Picture 1- Antibacterial test method,(a) reducing the number of contaminated water bacteria in the presence of an antibacterial agent over time and (b) the number of bacteria grown in the growing medium after exposure to the antibacterial agent at over times

 

 

همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است با گذشت زمان تعداد باکتری‌های موجود در 1 لیتر سوسپانسیون (a) در اثر برخورد با عوامل ضد میکروبی کاهش یافته است. شکل (b) نیز نشان می دهد به ازای هر 20 میکرو لیتر سوسپانسیون کشت داده شده در محیط کشت تعداد کلنی‌های رشد کرده با گذشت زمان کاهش یافته است. به عنوان مثال می‌توان به این نتیجه رسید که در محدوده زمانیt0  تا t2، 60% باکتری‌ها کشته شده‌اند.

برای انجام آزمون­های ضدباکتریایی ابتدا سوسپانسیون نیم مک فارلند از میکروارگانیسم مورد نظر در سرم بیولوژیکی با          7 pH=، در دمای اتاق تهیه گردید ( کدورت سوسپانسیون با استفاده از اسپکتروفوتومتر تنظیم گردید). سپس با استفاده از میکرو پیپت cc1از این سوسپانسیون در داخل سه لوله آزمایش
استریل شده به وسیله اتوکلاو تزریق شد (در هر لوله آزمایش cc1). در ادامه به هرکدام از لوله­های آزمایش­ cc1سرم بیولوژیکی اضافه گردید تا غلظت سوسپانسیون نصف شود. یکی از سوسپانسیون­ها به عنوان شاهد اول (باکتری­ها بدون تماس با اسفج) جهت کنترل شرایط محیطی روی رشد میکروارگانیسم­ها، دیگری به عنوان شاهد دوم در تماس با اسفنج (1/0گرم)         فاقد نانو ذره جهت کنترل اثر ساختار خود اسفنج روی رشد میکروارگانیسم­ها و سوسپانسیون سوم که در تماس با اسفنج (1/0 گرم)حاوی نانوذرات اکسید نقره قرار گرفت تا خاصیت ضدمیکروبی نانوکامپوزیتبررسی شود. شکل 2 فرایند انجام آزمون ضدمیکروبی اسفنج پلی­اورتانی را روی باکتری استافیلوکوکوس نشان می­دهد.

 

 

(b)

(a)

(c)

 

شکل2-(a) اسفنج حاوی نانوذرات اکسید نقره (PU/Ag2O) قرار گرفته داخل سوسپانسیون میکروبی، (b) اسفنج بدون نانو ذرات در تماس با سوسپانسیون میکروبی به عنوان شاهد دوم (PU) و (c)سوسپانسیون بدون

میکروب به عنوان شاهد اول

Picture 2- (a) the sponge containing silver oxide nanoparticles (PU / Ag2O) placed inside microbial suspension ,(b) the pure sponge in contact with the microbial suspension as the second control (PU) and (c) the suspension without microorganisms as the first control

 

 

در ادامه در فاصله­های زمانی مشخص از هرکدام از لوله­های آزمایش 16μ"> l20سوسپانسیون میکروبی به وسیله میکروپیپت روی محیط­ کشت منتقل گردیده و به صورت یکنواخت پخش شد. در نهایت پس از اتمام آزمون، پلیت­ها (ظروف حاوی محیط کشت و میکروارگانیسم­ها) به انکوباتور منتقل گردیده و در محدوده زمانی 12 ساعت روند کاهشی میکروب­ها مورد ارزیابی قرار گرفت. شکل 3 تأثیر اسفنج پلی­اورتانی حاوی نانوذرات اکسید نقره و فوم خالص را بر رشد باکتری استافیلوکوکوس در محدوده زمانی صفر تا 6 ساعت نشان می‌دهد.

 

 

S.aureus

-

6h

S.aureus

PU

6h

S.aureus

PU/Ag2O

6h

a

b

c

 

 

 

 

 


شکل 3 -تأثیر نانوکامپوزیت ضدباکتریایی و معمولی بر رشد باکتری استافیلوکوکوس ارئوس

Picture 3- The effect of pure sponge and sponge/Ag2O nanocomposite on the staphylococcus aureus growth

 

 

همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است تعداد کلنی‌های تشکیل شده به ‌وسیله باکتری استافیلوکوکوس (c) از زمان صفر تا 6 ساعت روند کاهشی به خود گرفته است. در حالی که شکل (a) و (b) نشان می­دهند تعداد کلنی‌های رشد کرده در محیط‌­های کشت شاهد در همین محدوده­ی زمانی بدون تغییر بوده است.

 

نتایج

آنالیزهای انجام شده

به‌منظور بررسی برهم­کنش بین زنجیره فوم پلی­اورتانی و
نانوذرات اکسید نقره از روش طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه استفاده شد. شکل 4‌ نتایج حاصل از این بررسی را نشان می‌دهد. همان طور که در شکل مشخص است پیک مربوط به پیوند  _NH_در ساختار پلی­اورتانی ضدباکتریایی به فرکانس‌های بالاتر ( از فرکانس 3276به 3316) جابجا شده است.

 

 

 

شکل 4- طیف FT-IR اسفنج نانو کامپوزیتی و معمولی و جابجایی­های صورت گرفته در فرکانس جذب

Picture 4- The FT-IR spectra of nanocomposite sponge and pure sponge and the spectral changes in absorption frequencies

 

 

همچنین جهت بررسی پخش نانوذرات اکسید نقره در سطح اسفنج و بررسی ساختار سلولی اسفنج از تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد. شکل 5 (a) نشان دهنده حضور نانو ذرات در سطح نانوکامپوزیت می‌باشد. همان طور که در شکل مشخص است نانوذرات اکسید نقره به‌ خوبی در سطح اسفنج پخش شده‌اند. همچنین شکل 5 (b) و (c) نشان دهنده ساختار سلولی باز و بسته اسفنج پلی­اورتانی می­باشد.

 

 

c)

b)

a)

شکل 5- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) اسفنج­های پلی­اورتانی (a) نانوذرات اکسید نقره موجود در سطح اسفنج، (b) ساختار سلولی اسفنج پلی­اورتانی سلول­باز و (c) ساختار سلولی اسفنج پلی­اورتانی سلول­بسته

Picture 5- SEM images of PU sponges (a) silver oxide nanoparticles on the sponge surface, (b) cellular structure of open cell PU sponge and (c) cellular structure of closed cell PU sponge

 

 

همچینین نتایج به دست آمده از آزمون­های ضدباکتریایی نشان دهنده کارایی مناسب نانوکامپوریت­های پلی‌اورتانی در برابر میکروارگانیسم­های مورد ارزیابی قرارگرفته می‌باشند.

روند تغییرات تعداد باکتری‌ها با گذشت زمان در نمودارهای 1 و 2 نشان داده شده است. با تبدیل تعداد کلنی‌ها به تعداد باکتری‌ها در      20 میکرولیتر سوسپانسیون باکتریایی منتقل شده به محیط کشت، می‌توان تعداد باکتری‌های موجود در یک میلی لیتر سوسپانسیون در زمان مفروض را محاسبه کرد. آزمایش مذکور در سه نوبت تکرار شد تا خطاهای احتمالی به حداقل برسند. نمودارهای 1 و 2 به ترتیب میزان تاثیر نانوکامپوزیت بر رشد دو باکتری اشریشیاکلی و استافیلوکوکوس ارئوس را نشان می­دهند. همان‌گونه که مشخص است در اثر برخورد نانوکامپوزیت با سوسپانسیون باکتری‌های اشریشیاکلی و استافیلوکوکوس، تعداد باکتری­ها با گذشت زمان کاهش یافته است. این درحالی است که تعداد باکتری­های دو نمونه شاهد (سوسپانسیون باکتری خالص و سوسپانسیون باکتری در تماس با اسفنج فاقد نانوذرات) برای هر دو نوع باکتری بدون تغییر می­باشد.

 

 

 

نمودار1- تاثیر نانوکامپوزیت PU/Ag2Oبر رشد باکتری اشریشیاکلی با گذشت زمان

Figure 1- Theeffect of  PU/Ag 2O nanocomposite on the E. coli bacteria growth over time

 

 

نمودار2- تاثیر نانوکامپوزیت PU/Ag2Oبر رشد باکتری استافیلوکوکوس ارئوس با گذشت زمان

Figure 2- The effect of PU/Ag 2O nanocomposite on the S. aureusgrowth over time

بحث و نتیجه­گیری

 

طی دهه‌های اخیر مطالعات گسترده‌ای به منظور بررسی خواص ضدمیکروبی نانوذرات مختلف، به‌ویژه ترکیبات نقره، صورت گرفته است. استفاده از نانوذرات مختلف به صورت پودری به دلیل مشکل جداسازی آن­ها پس از تأثیر برباکتری‌ها با محدودیت‌هایی روبرو است (4). اسفنج­های سلول­باز به جهت نسبت سطح به حجم بالاتر در مقایسه با اسفنج­های سلول­بسته دارای کارایی بهتری می­باشند. در پروژه حاضر کارایی نانوکامپوزیت پلی‌اورتانی سلول‌باز/ اکسید نقره، به عنوان عامل ضدباکتریایی مورد بررسی قرار گرفت. نانوکامپوزیت تهیه شده به جهت دسترسی آسان و قیمت پایین مواد اولیه، در بسیاری از محیط­ها جهت کنترل آلودگی‌ها قابل استفاده می‌باشد. تأثیر اسفنج ضدباکتریایی حاوی نانوذرات اکسید نقره بر کاهش رشد باکتری­ استافیلوکوکوس در شکل 3 نشان داده شد. همان طور که در نمودارهای  1 و 2 مشخص است باکتری‌های اشریشیا کلی و استافیلوکوکوس به ترتیب پس از گذشت 9 و 6 ساعت به طور کامل از بین رفته‌اند. همچنین نتایج نمودار 1 نشان می­دهد تعداد باکتری­ها پس از 8 ساعت حدود 70 درصد کاهش داشته است درحالی که تا زمان 7 ساعت اسفنج ضدمیکروبی تاثیر بر رشد باکتری­ها نداشته است. برای باکتری استافیلوکوکوس ارئوس نیز در محدوده زمانی صفر تا 5 ساعت اسفنج ضدمیکروبی تاثیری بر رشد این باکتری نداشته است. این درحالی است که اسفنج پلی‌اورتانی سلول­باز بدون نانوذرات اکسید نقره (شاهد) در هیچ بازه زمانی مشخصی، تاثیر بازدارنده­ای روی رشد باکتری‌ها نداشته است (نمودارهای 1 و 2). نتایج بدست آمده در این پژوهش در مقایسه با پژوهش صورت گرفته توسط سید دراجی و همکارانش با نانوکامپوزیت فوم پلی­اورتانی حاوی نانوذرات اکسید روی زمان بازداری کم­تری را نشان می­دهند (17).

در پروژه حاضر جهت اطمینان از پخش مناسب نانوذرات روی سطح اسفنج و همچنین بررسی برهم کنش بین گروهای عاملی مختلف موجود در ساختار پلی‌اورتانی با نانوذرات اکسید نقره به ترتیب از تکنیک SEM و FT-IR استفاده گردید.

تصویر  SEMاز اسفنج ضدباکتریایی در شکل 5 (a) نشان داده شده است. همان طور که در شکل مشخص است، حضور نانوذرات اکسید نقره روی سطح اسفنج ضدباکتریایی به خوبی مشاهده می‌شود. حضور نانوذرات در سطح اسفنج، سبب برهم­کنش بین باکتری‌های موجود در محیط و نانوذرات شده و در نهایت موجب از بین رفتن باکتری‌ها می‌شود. همچنین شکل 5 (b) تایید کننده­ی اثر کربوهیدرات بر ساختار سلولی اسفنج­ پلی­اورتانی می­باشد، به­ طوری که ساختار سلولی اسفنج را از حالت بسته (شکل 5 (c)) به حالت سلول­باز (شکل 5 (b)) تبدیل می­نماید.

مطالعات طیف سنجی مادون قرمز نشان دهنده برهم کنش گروه‌های_NH_ پلی‌اورتانی با نانوذرات اکسید نقره می‌باشد. همان طور که در طیف مادون قرمز نشان داده شده است جابجایی فرکانس پیوند_NH_برهمکنش بین نانوذرات اکسید نقره و گروه‌های_NH_ پلی‌اورتانی را نشان می‌دهد (4).

 همچنین تشابه سایر پیک‌های طیف مادون قرمز برای اسفنج معمولی و اسفنج حاوی نانوذرات نشان دهنده عدم برهم کنش نانوذرات اکسید نقره با سایر بخش‌های مولکولی اسفنج می‌باشد.

نتایج نهایی نشان دهنده آن است که اسفنج­های پلی‌اورتانی سلول‌باز می­توانند بستر مناسبی جهت قرار گیری نانوذرات اکسید نقره باشند و همچنین می­توانند از پتانسیل کافی جهت حذف آلاینده‌های میکروبی برخوردار باشند. لذا مطالعات بیش­تر جهت بهبود روش به­کار گرفته در این کار پژوهشی می­تواند در پژوهش­های بعدی مورد توجه قرار گیرد. همچنین نتایج حاصل از آزمون­های ضدباکتریایی نشان دادند، باکتری­های اشریشیا کلی در مقایسه با باکتری­های استافیلوکوکوس در برابر نانوکامپوزیت سنتز شده در این کار پژوهشی مقاوم می­باشند به­ طوری که رشد باکتری­های اشریشیا کلی در آب آلوده پس از 8 ساعت و رشد باکتری­های استافیلوکوکوس پس از 6 ساعت متوقف شده است. دستور کار سنتز نانو ذرات اغلب به صورت ارزان قیمت در دسترس می‌باشد، بنابراین جایگزینی نانوذرات متنوع در ساختار اسفنج پلی‌اورتانی ضدباکتریایی جهت کارایی بهتر می‌تواند مورد تحقیق و بررسی بیش­تری قرار گیرد. همچنین توسعه این نانوکامپوزیت­ها استفاده از داروهای شیمیایی جهت کنترل عفونت را می­تواند به حداقل خواهد رساند.

 

منابع

  1. Blomquist, W., Cunniff, S., Fox, P., Furukawa, D., Garcia, M., Gritzuk, M., Wolff, G., 2012. Desalination and water Purification technology roadmap: A report of the executive committee. In Desalination: Solutions and Roadmap for an Improved Water Supply. Nova Science Publishers, Inc. pp. 87-179.
  2. Am Water Works Res F, Langlais B, Reckhow DA, Brink DR.1991. Ozone in water treatment: application and engineering. CRC press.
  3. Atefeh, M., Taghavi, L., Khani, MR., Bayati, A., Sayadi, M., 2016. Investigation of the quality of drinking water wells in Lavasan-e Kouchak district.J.Env. Sci. Tech, Vol.18, No.3, pp.53-66. (In Persian)
  4. Jain, P., Pradeep, T., 2005. Potential of silver nanoparticle‐coated polyurethane foam as an antibacterial water filter. Biotechnology and bioengineering, Vol.90, pp.59-63.
  5. Malato, S., Fernández-Ibáñez, P., Maldonado, MI., Blanco, J., Gernjak, W., 2009. Decontamination and disinfection of water by solar photocatalysis: recent overview and trends. Catalysis Today, Vol.147,pp.1-59.
  6. Dahl, E., 1976. Physicochemical aspects of disinfection of water by means of ultrasound and ozone. Water Research,Vol.10, pp.677-684.
  7. Nagayoshi, M., Kitamura, C., Fukuizumi, T., Nishihara, T., Terashita, M.,2004. Antimicrobial effect of ozonated water on bacteria invading dentinal tubules. Journal of Endodontics, Vol.30, pp.778-781.
  8. Rai, M., Yadav, A., Gade, A.,2009. Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials. Biotechnology advances,Vol.27, pp.76-83.
  9. Safaiyan, SH., Moghaddam, Z., Hosseini, H., Esmaeili, A., 2014. Resistance to Antibiotic in Gram negative bacteria isolated fromCyprinus Carpio in Anzali wetland. J.Env. Sci. Tech, Vol.15, No.4, pp.65-74. (In Persian)
  10. Ruparelia, JP., Chatterjee, AK., Duttagupta, SP., Mukherji, S.,2008. Strain specificity in antimicrobial activity of silver and copper nanoparticles. Acta biomaterialia.Vol.4, pp.707-716.
  11. Sharma, VK., Yngard, RA., Lin, Y.,2009. Silver nanoparticles: green synthesis and their antimicrobial activities. Advances in colloid and interface science,Vol.145, pp.83-96.
  12. Hajipour, MJ., Fromm, KM., Ashkarran, AA., De Aberasturi, DJ., De Larramendi, IR., Rojo, T., et al.,2012. Antibacterial properties of nanoparticles. Trends in biotechnology. Vol.30, pp.499-511.
  13. Okuyama, T., Kamimura, Y., Yasunaga, K.,1990. Process for producing antibacterial flexible polyurethane foam. Google Patents.

   14.          Jain, P., Pradeep, T.,2005. Potential of Silver Nanoparticle‐Coated Polyurethane Foam as an Antibacterial Water Filter. Biotechnology and Bioengineering, Vol.90, pp.59-63.

  1. Shahim, A., Kalbassi, M., Soltani, M., Johari, S.,2015. Application of Polyurethane Foam Containing Silver Zeolite (Zeomic) in Water Filtration System to Control the Infection Caused by Streptococcus Iniae in Rainbow. Journal of Veterinary Research, Vol.70, pp.63-71.
  2. Dorraji, MSS., Ashjari, HR., Rasoulifard, MH., Rastgouy-Houjaghan, M.,2017. Polyurethane foam-cadmium sulfide nanocomposite with open cell structure: Dye removal and antibacterial applications. Korean Journal of Chemical Engineering, Vol.34,pp.547-554.
  3. Dorraji, MSS., Rasoulifard, MH., Shajeri, M., Ashjari, HR., Azizi, M., Rastgouy-Houjaghan, M.,2017. The role of prepared ZnO nanoparticles on improvement of mechanical and antibacterial properties of flexible polyurethane foams: experimental modeling. Polymer Bulletin,Vol.75, pp.1519-1533. 
  4. Mohammadi, A., Lakouraj, MM., Barikani, M.,2014. Preparation and characterization of p-tert-butyl thiacalix [4] arene imbedded flexible polyurethane foam: an efficient novel cationic dye adsorbent. Reactive and Functional Polymers,Vol.83, pp.14-23.
  5. Rastgouy-Houjaghan, M., Rasoulifard, MH., Ashjari-Basmenj, HR., Dorraji, MSS.,2015. Production process of open cell polyurethane sponge. Patent number.87020. (In Persian)
  6. W.Y. Han, Z.Y. He, Y.B. Liu,1992. Diagnosis Technology for Pathogenic Bacteria, Jilin Science and Technology Press.(in Chinese).
  7. Dorraji, MSS., Ashjari, HR., Rasoulifard, MH., Rastgouy-Houjaghan, M.,2017. Polyurethane foam-cadmium sulfide nanocomposite with open cell structure: Dye removal and antibacterial applications. Korean Journal of Chemical Engineering.Vol.34, pp.547-554.
  8. Pralhad, T., Rajendrakumar, K.,2004. Study of freeze-dried quercetin–cyclodextrin binary systems by DSC, FT-IR, X-ray diffraction and SEM analysis. Journal of pharmaceutical and biomedical analysis, Vol.34, pp.333-339.
  9. Zeng , H., Lacefield, WR.,2000. XPS, EDX and FTIR analysis of pulsed laser deposited calcium phosphate bioceramic coatings: the effects of various process parameters. Biomaterials, Vol.21, pp.23-30.

 

 



[1]- کارشناس ارشد شیمی کاربردی، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

[2]- دانشیار، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران. *(مسئول مکاتبات).

[3]- دانشیار، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

[4]- دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی کاربردی، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.

[5]- M. Sc., Applied Chemistry, Department of Chemistry, Faculty of Science, University of Zanjan, Zanjan,  Iran

[6]- Associate Prof., Department of Chemistry, Faculty of Science, University of Zanjan, Zanjan, Iran

[7]- Associate Prof., Department of Chemistry, Faculty of Science, University of Zanjan, Zanjan, Iran

[8]- M. Sc. Student of Applied Chemstry, Department of Chemistry, Faculty of Science, University of Zanjan,   Zanjan, Iran

Blomquist, W., Cunniff, S., Fox, P., Furukawa, D., Garcia, M., Gritzuk, M., Wolff, G., 2012. Desalination and water Purification technology roadmap: A report of the executive committee. In Desalination: Solutions and Roadmap for an Improved Water Supply. Nova Science Publishers, Inc. pp. 87-179.
Am Water Works Res F, Langlais B, Reckhow DA, Brink DR.1991. Ozone in water treatment: application and engineering. CRC press.
Atefeh, M., Taghavi, L., Khani, MR., Bayati, A., Sayadi, M., 2016. Investigation of the quality of drinking water wells in Lavasan-e Kouchak district.J.Env. Sci. Tech, Vol.18, No.3, pp.53-66. (In Persian)
Jain, P., Pradeep, T., 2005. Potential of silver nanoparticle‐coated polyurethane foam as an antibacterial water filter. Biotechnology and bioengineering, Vol.90, pp.59-63.
Malato, S., Fernández-Ibáñez, P., Maldonado, MI., Blanco, J., Gernjak, W., 2009. Decontamination and disinfection of water by solar photocatalysis: recent overview and trends. Catalysis Today, Vol.147,pp.1-59.
Dahl, E., 1976. Physicochemical aspects of disinfection of water by means of ultrasound and ozone. Water Research,Vol.10, pp.677-684.
Nagayoshi, M., Kitamura, C., Fukuizumi, T., Nishihara, T., Terashita, M.,2004. Antimicrobial effect of ozonated water on bacteria invading dentinal tubules. Journal of Endodontics, Vol.30, pp.778-781.
Rai, M., Yadav, A., Gade, A.,2009. Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials. Biotechnology advances,Vol.27, pp.76-83.
Safaiyan, SH., Moghaddam, Z., Hosseini, H., Esmaeili, A., 2014. Resistance to Antibiotic in Gram negative bacteria isolated fromCyprinus Carpio in Anzali wetland. J.Env. Sci. Tech, Vol.15, No.4, pp.65-74. (In Persian)
Ruparelia, JP., Chatterjee, AK., Duttagupta, SP., Mukherji, S.,2008. Strain specificity in antimicrobial activity of silver and copper nanoparticles. Acta biomaterialia.Vol.4, pp.707-716.
Sharma, VK., Yngard, RA., Lin, Y.,2009. Silver nanoparticles: green synthesis and their antimicrobial activities. Advances in colloid and interface science,Vol.145, pp.83-96.
Hajipour, MJ., Fromm, KM., Ashkarran, AA., De Aberasturi, DJ., De Larramendi, IR., Rojo, T., et al.,2012. Antibacterial properties of nanoparticles. Trends in biotechnology. Vol.30, pp.499-511.
Okuyama, T., Kamimura, Y., Yasunaga, K.,1990. Process for producing antibacterial flexible polyurethane foam. Google Patents.

   14.          Jain, P., Pradeep, T.,2005. Potential of Silver Nanoparticle‐Coated Polyurethane Foam as an Antibacterial Water Filter. Biotechnology and Bioengineering, Vol.90, pp.59-63.

Shahim, A., Kalbassi, M., Soltani, M., Johari, S.,2015. Application of Polyurethane Foam Containing Silver Zeolite (Zeomic) in Water Filtration System to Control the Infection Caused by Streptococcus Iniae in Rainbow. Journal of Veterinary Research, Vol.70, pp.63-71.
Dorraji, MSS., Ashjari, HR., Rasoulifard, MH., Rastgouy-Houjaghan, M.,2017. Polyurethane foam-cadmium sulfide nanocomposite with open cell structure: Dye removal and antibacterial applications. Korean Journal of Chemical Engineering, Vol.34,pp.547-554.
Dorraji, MSS., Rasoulifard, MH., Shajeri, M., Ashjari, HR., Azizi, M., Rastgouy-Houjaghan, M.,2017. The role of prepared ZnO nanoparticles on improvement of mechanical and antibacterial properties of flexible polyurethane foams: experimental modeling. Polymer Bulletin,Vol.75, pp.1519-1533. 
Mohammadi, A., Lakouraj, MM., Barikani, M.,2014. Preparation and characterization of p-tert-butyl thiacalix [4] arene imbedded flexible polyurethane foam: an efficient novel cationic dye adsorbent. Reactive and Functional Polymers,Vol.83, pp.14-23.
Rastgouy-Houjaghan, M., Rasoulifard, MH., Ashjari-Basmenj, HR., Dorraji, MSS.,2015. Production process of open cell polyurethane sponge. Patent number.87020. (In Persian)
W.Y. Han, Z.Y. He, Y.B. Liu,1992. Diagnosis Technology for Pathogenic Bacteria, Jilin Science and Technology Press.(in Chinese).
Dorraji, MSS., Ashjari, HR., Rasoulifard, MH., Rastgouy-Houjaghan, M.,2017. Polyurethane foam-cadmium sulfide nanocomposite with open cell structure: Dye removal and antibacterial applications. Korean Journal of Chemical Engineering.Vol.34, pp.547-554.
Pralhad, T., Rajendrakumar, K.,2004. Study of freeze-dried quercetin–cyclodextrin binary systems by DSC, FT-IR, X-ray diffraction and SEM analysis. Journal of pharmaceutical and biomedical analysis, Vol.34, pp.333-339.
Zeng , H., Lacefield, WR.,2000. XPS, EDX and FTIR analysis of pulsed laser deposited calcium phosphate bioceramic coatings: the effects of various process parameters. Biomaterials, Vol.21, pp.23-30.