Single-step processing of Cu and Ag nanocrystals and nanocomposites for antimicrobial applications

Abstract

Emerging and re-emerging pathogens pose a worldwide public health risk since they can cause severe infectious diseases, which are difficult to treat due to the ineffective action of traditional treatments. Furthermore, medical treatments produce economic burdens to patients and health insurance. The development of nano-scale materials with antimicrobial properties could help avoid pathogen contamination and its dissemination. The unique physicochemical, optical, and biological properties that silver, copper and composites exhibit at nanoscale size, such as their capacity to inhibit microbial growth, make them suitable materials for medicine, therapeutics, medical devices, and food packaging applications. However, the reported procedures to synthesize metallic nanoparticles require tedious steps and toxic reagents. In this work, two approaches were performed to synthesize metallic nanoparticles using microwave-assisted synthesis in a single-step. In the first approach, silver nanoparticles (Ag NPs) were synthesized in an aqueous environment and functionalized with the peptide glutathione (GSH) to facilitate the passage of the Ag NPs through the cell membrane. In the second approach, a modified polyol method was established to synthesize Ag NPs and copper nanoparticles (Cu NPs), allowing the co-reduction and formation of silver-copper nanoparticles (AgCu NPs). The synthesized nanoparticles were characterized using High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM), Energy Dispersive X-Ray (EDX), X-Ray Diffraction (XRD), X-Ray Photoelectron (XPS), Fourier Transform Infrared (FT-IR), and Ultraviolet-Visible (UV-Vis) spectroscopic techniques. The Ag-GSH NP antimicrobial properties were evaluated against Listeria monocytogenes and Escherichia coli O157: H7 strains. Those pathogens were isolated from produce outbreaks and tested on baby spinach leaves. Also, Ag NPs, Cu NPs and AgCu NPs antimicrobial properties were evaluated against Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus, and Candida albicans. By following our approach, AgCu NPs were successfully synthetized and showed enhanced antimicrobial properties against Gram-positive and Gram-negative bacteria at lower concentration than single metal NP. This shows their potential application as an alternative against antibiotic resistance.

Los patógenos emergentes y reemergentes suponen un riesgo para la salud pública mundial, ya que pueden causar graves enfermedades infecciosas difíciles de tratar debido a la ineficacia de los tratamientos tradicionales. Además, los tratamientos médicos suponen una carga económica para los pacientes y los seguros médicos. El desarrollo de materiales a escala nano con propiedades antimicrobianas podría ayudar a evitar la contaminación por patógenos y su diseminación. Las singulares propiedades fisicoquímicas, ópticas y biológicas que presentan la plata, el cobre y los compuestos a escala nanométrica, así como su capacidad para inhibir el crecimiento microbiano, los convierten en materiales adecuados para aplicaciones médicas, terapéuticas, de dispositivos médicos y de empaque de alimentos. Sin embargo, los procedimientos descritos para sintetizar nanopartículas metálicas requieren pasos tediosos y el uso de reactivos tóxicos. En este trabajo, se realizaron dos enfoques para sintetizar nanopartículas metálicas utilizando la síntesis asistida por microondas en un solo paso. En el primer enfoque, se sintetizaron nanopartículas de plata (“Ag NPs”) en un entorno acuoso y se funcionalizaron con el tripéptido glutatión (GSH) para facilitar el paso de las Ag NPs a través de la membrana celular. En el segundo enfoque, se estableció un método de poliol modificado para sintetizar Ag NPs y nanopartículas de cobre (“Cu NPs”), permitiendo la co-reducción y la formación de nanopartículas de plata-cobre (“AgCu NPs”). Las nanopartículas sintetizadas se caracterizaron mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), energía dispersiva de rayos X (EDX), difracción de rayos X (XRD), espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FT-IR) y técnicas espectroscópicas de ultravioleta-visible (UV-Vis). Las propiedades antimicrobianas de las nanopartículas de Ag-GSH se evaluaron contra las cepas de Listeria monocytogenes y Escherichia coli O157: H7. Estos patógenos se aislaron de brotes de vegetales y se probaron sobre hojas de espinacas. También se evaluaron las propiedades antimicrobianas de Ag-NPs, Cu-NPs y AgCu-NPs contra Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus y Candida albicans. Siguiendo nuestro enfoque, las AgCu-NPs se sintetizaron con éxito y mostraron mejores propiedades antimicrobianas contra bacterias grampositivas y gramnegativas a una concentración menor que las NP de un solo metal. Esto demuestra su potencial aplicación como alternativa contra la resistencia a los antibióticos.