Síntesis, caracterización y evaluación de la toxicidad y bioactividad de materiales nano-estructurados de ZnO, Fe3O4 y ZnO@Fe3O4

Abstract

El ZnO es un material semiconductor que ha despertado gran interés debido a sus excelentes propiedades optoelectrónicas. Así mismo ha sido señalado como uno de los mejores materiales empleados en remediación ambiental. No obstante, aún existen limitantes para su implementación a gran escala, entre ellas, mejorar su estabilidad química y elucidar la biocompatibilidad del mismo. Por otra parte, existen muy pocos reportes referentes al uso de campos magnéticos para el control del crecimiento de microorganismos patógenos. Aunque se reportó que la exposición de Staphylococcus aureus y Helicobacter pylori a campos electromagnéticos (50 Hz y 1 mT) induce cambios morfológicos y fisiológicos, disminuyendo de esta manera su capacidad para formar biopelículas, postulando de esta manera que la aplicación de NPs de ZnO y Fe3O4 así como NCs de ZnO@Fe3O4 en sistemas in vitro generan una alta eficiencia bactericida y una baja o nula toxicidad en sistemas in vivo. Para determinar esto se procedió a optimizar la síntesis de nanopartículas de Fe3O4 y nanocompósitos de ZnO@Fe3O4 empleando una ruta solvotérmica activada por microondas, así como la evaluación del desarrollo de biopelículas de Staphylococcus aureus bajo una densidad bacteriana 1 x 105 bacterias a 37°C durante 24hrs y de Helicobacter pylori durante 72hrs a 37°C y 40psi de CO2 en ausencia y presencia de distintas dosis (1, 2 y 4 mg/Kg) de los nanomateriales por método espectrofotométrico con safranina. Los resultados de la optimización de síntesis de los nanomateriales indicaron que al realizar la purificación de las MNPs a temperaturas de 4°C aumenta significativamente el rendimiento (39.30 ± 4.26%) con respecto al control (18.74 ± 2.87%); así mismo se demostró la estructura nanométrica de los materiales. Los resultados in vitro demostraron que bajo una dilución de 1:40 se puede llegar a formar una biopelícula estable para ambas bacterias; así mismo se pudo determinar las dosis mínimas bactericidas de cada nanomaterial, siendo de 1mg/Kg para las NPs de ZnO con un 69% de inhibición con respecto al control; 2 mg/Kg para los NCs (52%) y 4 mg/Kg para las MNPs (44%), ulteriormente se pudo determinar la dosis mínima de inhibición para las biopelículas, 2 mg/Kg para las NPs de ZnO (55%); 4 mg/Kg para los NCs (47%) y para las MNPs (48%). Los resultados in vivo demostraron que las interacciones crónicas de estos materiales los organismos modelos no muestran ningún efecto toxicológico, mientras que una interacción aguda de ZnO y MNPs generan efectos histológicos adversos como la degradación hidrópica sobre el parénquima hepático, pérdida de la integridad alveolar y vacuolización de la zona molecular cerebelar. Estos resultados sugieren que a dosis bajas de los NMs se puede generar una eficaz actividad bactericida y biocida, con nulo efecto toxicológico.

ZnO is a semiconductor material which has aroused great interest due to its excellent optoelectronic properties. Likewise it has been pointed out as one of the best materials used in environmental remediation. However, still exist constraints for its implementation at large scale, including improving its chemical stability and elucidate the biocompatibility of the material. On the other hand, there are very few reports concerning the use of magnetic fields to control the growth of pathogenic microorganisms. Although it was reported that exposure of Staphylococcus aureus and Helicobacter pylori to electromagnetic fields (50 Hz and 1 mT) induces morphological changes, decreasing its ability to form biofilms. Thus, in this work we evaluate the microbicidal activity and biocompatibility of ZnO, Fe3O4, and ZnO@Fe3O4 NCs in in vivo and in vitro systems. We postulate that these materials will exhibit high efficiency in the elimination of these microorganisms as well as presenting a low or zero toxicity. To determine this, we proceeded to optimize the synthesis of nanoparticles of Fe3O4 and ZnO@Fe3O4 nanocomposites using a solvothermal route activated by microwave (MW) radiation, as well as the evaluation of the development of biofilms of Staphylococcus aureus under a bacterial density 1 x 105 bacteria at 37° C during 24 hours and Helicobacter pylori during 72 hours at 37° C and 40 psi of CO2 in the absence and presence of different doses (1, 2 and 4 mg/Kg) of nanomaterials by spectrophotometry with safranin. Optimization of synthesis conditions indicate that separation and purification of MNP at low temperatures (4°C) render higher recovery yields. In vitro results showed that under a 1:40 dilution is possible to form a stable biofilm for both bacteria; Likewise we could determine minimal bactericidal doses of each nanomaterial, being 1 mg/Kg for the NPs of ZnO with 69% inhibition relative to the control; 2 mg/Kg for the NCs (52%) and 4 mg/Kg for MNPs (44%), it was subsequently determined the minimum dose of inhibition for biofilms, 2 mg/Kg for the ZnO NPs (55%); 4 mg/Kg for the NCs (47%) and MNPs (48%). Evaluation of the toxicity of the materials using Wistar rats as model organisms indicate that chronic interactions of these materials don't show toxicological effect, whereas an acute interaction of ZnO and MNPs generate adverse histological effects as on the hepatic parenchyma hydropic degradation, loss of alveolar integrity and vacuolization of the cerebellar molecular area. These results suggest that at low doses of the NMs can generate an effective bactericidal activity and biocide, with no toxicological effect.