Антимикробные свойства металлов, таких как медь и серебро, были признаны на протяжении веков. Этот протокол описывает импульсную лазерную абляцию в жидкостях, метод синтеза металлических наночастиц, который обеспечивает возможность тонкой настройки свойств этих наночастиц для оптимизации их антимикробных эффектов.
Появление бактерий с множественной лекарственной устойчивостью является глобальной клинической проблемой, ведущей к размышлениям о нашем возвращении к эпохе «антибиотиков» до начала антибиотиков. В дополнение к усилиям по выявлению новых маломолекулярных противомикробных препаратов большой интерес представляет использование наночастиц металлов в качестве покрытий для медицинских устройств, раневых повязок и потребительской упаковки из-за их антимикробных свойств. Широкий спектр методов, доступных для синтеза наночастиц, приводит к широкому спектру химических и физических свойств, которые могут влиять на антибактериальную эффективность. В этой рукописи описывается метод импульсной лазерной абляции в жидкостях (PLAL) для создания наночастиц. Такой подход позволяет осуществлять точную настройку размера, состава и стабильности наночастиц с использованием методов пост-облучения, а также добавления поверхностно-активных веществ или объемных экскрементов. Контролируя размер и состав частиц, большой диапазон физических и химических свойств металлических наноповМогут быть исследованы, которые могут способствовать их антимикробной эффективности, открывая тем самым новые пути для развития антибактериальных средств.
Наночастицы (NP) обычно определяются как частицы, которые имеют по меньшей мере один размер, длина которого меньше 100 нм. Традиционные химические методы синтеза NP обычно требуют опасных восстановителей, таких как борогидриды и гидразины. Напротив, лазерная абляция твердых металлических целей, погруженных в жидкую среду (импульсная лазерная абляция в жидкостях – PLAL), обеспечивает экологически чистый путь синтеза NP, который удовлетворяет всем 12 принципам зеленой химии 1 , 2 . В PLAL подводная металлическая мишень облучается повторными лазерными импульсами. Когда лазер удаляет мишень, плотный шлейф атомных кластеров и пара высвобождается в жидкую среду, где NP быстро сливаются. NP, полученные PLAL, тонко диспергированы в водной среде, а размер, полидисперсность и состав NP могут легко регулироваться путем изменения водной абляционной жидкости,1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 .
Характеристики наночастиц могут быть настроены путем корректировки ряда параметров лазера, включая: флюенс, длину волны и длительность импульса (см. Ссылку 7 ). Флюенс лазера рассчитывается как энергия импульса, деленная на площадь лазерного пятна на поверхности мишени. Точные эффекты флюенса по размеру и полидисперсности НП несколько противоречивы. В целом было показано, что для «длинных» и «ультракоротких» импульсных лазерных систем существуют режимы с низким и высоким уровнем флюенса, которые приводят к отрицательным и положительным тенденциям в размере, соответственно 8 , 9 , 10 , 11 . Размер дистрибутива NPМогут быть эмпирически измерены с использованием таких методов, как динамическое рассеяние света и просвечивающая электронная микроскопия (ТЕА), как описано ниже.
Выбор длины волны лазера может влиять на физические механизмы, с помощью которых формируются NP. При более коротких (ультрафиолетовых) длинах волн фотоны с высокой энергией способны разрушать межатомные связи 12 . Этот механизм фотоабразии является примером синтеза НП-нисходящего потока, поскольку он приводит к высвобождению сверхмалых фрагментов материала, которые, как правило, производят более крупные полидисперсные образцы при гашении в погружной жидкости 12 , 13 , 14 . Напротив, ближняя инфракрасная абляция (λ = 1,064 нм) дает механизм синтеза снизу вверх, в котором преобладает аблация плазмы 12 . Лазерное поглощение мишенью освобождает электроны, которые сталкиваются с, а затем свободными связанными электронами. Поскольку cУвеличиваются, материал ионизируется, тем самым воспламеняя плазму. Окружающая жидкость ограничивает плазму, повышает ее стабильность и дополнительно увеличивает поглощение 12 . По мере того, как расширяющаяся плазма гасится ограничивающей жидкостью, NPs конденсируются с различными геометриями 4 , 12 , 15 .
Выбор длительности лазерного импульса может еще больше повлиять на процесс формирования NP. Обычно используемые длинные импульсные лазеры с длительностью импульса, превышающей несколько пикосекунд, включают в себя все милли-микро, нано и некоторые пикосекундные импульсные лазеры. В этом широтно-импульсном режиме длительность лазерного импульса больше времени электрон-фононного уравновешивания, которое обычно составляет порядка нескольких пикосекунд 4 , 16 , 17 , 18 , 19, Это приводит к утечке энергии в окружающую среду абляции и образованию НП посредством тепловых механизмов, таких как термоэлектронное излучение, испарение, кипение и плавление 1 , 20 .
На антибактериальную активность НП сильно влияет размер частиц 21 , 22 , 23 , 24 . Чтобы улучшить уменьшение размера и монодисперсность, NP могут быть облучены во второй раз с использованием лазера с длиной волны вблизи поверхностного плазмонного резонанса (SPR) NP. Падающее лазерное излучение поглощается NP через возбуждение SPR. Фрагментация NP может происходить либо при термическом испарении 25 , 26, либо в кулоновском взрыве 27 , 28 . Фотовозбуждение поднимает tОн температуры НП выше точки плавления, что приводит к просачиванию внешнего слоя частицы. Было показано, что добавление агентов, таких как поливинилпирролидон (PVP) или додецилсульфат натрия (SDS) к раствору, может значительно улучшить эффекты после облучения 5 . Влияние добавления различных растворенных веществ описано в нескольких отчетах 1 , 4 , 6 . Легкость манипулирования NP-характеристиками PLAL дает новый метод для разработки новых противомикробных препаратов на основе NP.
Воспроизводимые антимикробные эффекты НП требуют последовательного производства НП с аналогичными размерами и концентрациями. Поэтому крайне важно стандартизировать параметры лазера, включая флюенсы, длину волны и длительность импульса. Хотя динамическое рассеяние света является …
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (NSF присуждает CMMI-0922946 DB, CMMI-1300920 для DB и S.O'M. И CMMI-1531789 для S.O'M., DB и EAK) и Бюджетный научно-исследовательский грант Буша для EAK и S.O'M.
Nanosecond Nd:YAG laser | Ekspla | NL303 | |
Motorized xy scanning stage | Standa | 8MTF | |
UV-VIS spectrophotometer | Agilent | Cary 60 | |
Dynamic light scattering unit | Malvern | Zetasizer ZS 90 | |
Microbalance | Maktek | TM 400 | |
Transmission electron microscope | Zeiss | EM 902 | |
Silver foil target | Alfa Aesar | 12127 | |
250 mm focal length lens | Edmund Optics | 69-624 | |
Copper TEM grids | Pacific Grid-Tech | Cu-400LD | Lacey/thin film coated grid |
E. coli MG1655 | ATCC | 47076 | |
Bacto-tryptone | BD Biosciences | 211705 | |
Yeast extract | BD Biosciences | 212750 | |
Sodium chloride | Fisher Scientific | BP3581 | |
Bacto-agar | BD Biosciences | 214010 | |
Sodium dodecyl sulfate | Fisher Scientific | BP166-100 | |
Polyvinylpyrrolidone | Fisher Scientific | BP431-100 | |
Stainless steel disc (for ablation stage) | Metal Remnants, Inc. | N/A | 1.5 inch diameter, 16 gauge |
Beaker | Fisher Scientific | 02-540G | |
Magnetic stir bar | Fisher Scientific | 14-513-57 | |
Magnetic stir plate | Fisher Scientific | 11-100-49SH | |
Laser energy and power meter | Coherent | 1098579 | |
Carbon tape | Shinto Chemitron Co. Ltd. | STR Tape | |
Sonicating water bath | Branson | 1510 | |
Air compressor | GMC | Syclone 3010 | For drying ablation target |
75 mm focal length lens | Edmund Optics | 34-096 | Focusing lens for post-irradiation |
Quartz cuvette | Precision Cells Inc | 21UV40 | 50 mm light path (for post-irradiation) |
Kanamycin | Fisher Scientific | BP906-5 | |
Light microscope | Nikon | 50i | This microscope is used to focus the laser on the ablation stage. This particular model is no longer available, but any light microscope with a 4X objective will work. |
CCD camera | AmScope | MT5000-CCD | |
Micrometer slide | Ted Pella | 2280-70 |